হাইড্রোজেনের রসায়ন: অনুশীলন প্রশ্নাবলী

বহুনির্বাচনী প্রশ্ন (MCQs)

প্রশ্ন 1

হাইড্রোজেনের আইসোটোপ সম্পর্কিত নিম্নলিখিত বিবৃতিগুলির মধ্যে কোনটি ভুল?

A) প্রোটিয়াম হল হাইড্রোজেনের সবচেয়ে প্রাচুর্যপূর্ণ আইসোটোপ। B) ডিউটেরিয়ামকে ভারী হাইড্রোজেনও বলা হয়। C) ট্রিটিয়াম তেজস্ক্রিয় এবং বিটা কণা নির্গত করে। D) হাইড্রোজেনের সমস্ত আইসোটোপে একই সংখ্যক নিউট্রন থাকে।

সমাধান:

সঠিক উত্তর হল D)।

ব্যাখ্যা:

• প্রোটিয়াম ($\text\{^1H\}$ বা $\text\{H\}$): এতে 1টি প্রোটন এবং 0টি নিউট্রন থাকে। এটি সবচেয়ে প্রাচুর্যপূর্ণ আইসোটোপ (প্রায় 99.98%)।
• ডিউটেরিয়াম ($\text\{^2H\}$ বা $\text\{D\}$): এতে 1টি প্রোটন এবং 1টি নিউট্রন থাকে। এটি ভারী হাইড্রোজেন নামে পরিচিত।
• ট্রিটিয়াম ($\text\{^3H\}$ বা $\text\{T\}$): এতে 1টি প্রোটন এবং 2টি নিউট্রন থাকে। এটি 12.33 বছরের অর্ধায়ু সহ তেজস্ক্রিয় এবং কম শক্তির বিটা কণা নির্গত করে।

যেহেতু প্রোটিয়ামের 0টি নিউট্রন, ডিউটেরিয়ামের 1টি নিউট্রন এবং ট্রিটিয়ামের 2টি নিউট্রন আছে, তাই তাদের নিউট্রনের সংখ্যা একই নয়।

প্রশ্ন 2

নিম্নলিখিত যৌগগুলির মধ্যে কোনটি একটি ইন্টারস্টিশিয়াল হাইড্রাইড?

A) $\text\{NaH\}$ B) $\text\{CH\}_4$ C) $\text\{TiH\}_\{1.7\}$ D) $\text\{HCl\}$

সমাধান:

সঠিক উত্তর হল C)।

ব্যাখ্যা:

• ইন্টারস্টিশিয়াল হাইড্রাইড (যাকে মেটালিক হাইড্রাইডও বলা হয়) অনেক d-ব্লক এবং f-ব্লক মৌল দ্বারা গঠিত হয়। এই হাইড্রাইডগুলিতে, হাইড্রোজেন ধাতব ল্যাটিসের ইন্টারস্টিশিয়াল স্থান দখল করে। এগুলি সাধারণত নন-স্টোইচিওমেট্রিক হয় (যেমন, $\text\{TiH\}_\{1.5-1.8\}$, $\text\{LaH\}_\{2.87\}$)। $\text\{TiH\}_\{1.7\}$ একটি ইন্টারস্টিশিয়াল হাইড্রাইডের উদাহরণ।
• $\text\{NaH\}$ একটি স্যালিন (আয়নিক) হাইড্রাইডের উদাহরণ, যা উচ্চ তড়িৎ-ধনাত্মক s-ব্লক মৌল দ্বারা গঠিত হয়।
• $\text\{CH\}_4$ একটি কোভ্যালেন্ট (আণবিক) হাইড্রাইডের উদাহরণ, যা p-ব্লক মৌল দ্বারা গঠিত হয়।
• **$\text\{HCl\}$**ও একটি কোভ্যালেন্ট (আণবিক) হাইড্রাইড।

প্রশ্ন 3

ডাইহাইড্রোজেনের শিল্প প্রস্তুতিতে, ওয়াটার-গ্যাস শিফট বিক্রিয়া প্রায়শই ব্যবহৃত হয়। নিম্নলিখিত বিবৃতিগুলির মধ্যে কোনটি এই বিক্রিয়ায় বাষ্পের ভূমিকা সঠিকভাবে বর্ণনা করে?

$\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \xrightarrow\{\text\{Catalyst, High temp.\}\} \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

A) বাষ্প একটি বিজারক হিসাবে কাজ করে, $\text\{CO\}$ কে $\text\{CO\}_2$ তে রূপান্তরিত করে। B) বাষ্প একটি জারক হিসাবে কাজ করে, $\text\{CO\}$ কে $\text\{CO\}_2$ তে রূপান্তরিত করে। C) বাষ্প একটি অনুঘটক হিসাবে কাজ করে, বিক্রিয়ার গতি বাড়ায়। D) বাষ্প $\text\{H\}_2$ গঠনের জন্য হাইড্রোজেন পরমাণু সরবরাহ করে।

সমাধান:

সঠিক উত্তর হল B)।

ব্যাখ্যা:

ওয়াটার-গ্যাস শিফট বিক্রিয়ায়: $\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \rightarrow \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

• $\text\{CO\}$ তে কার্বনের জারণ অবস্থা +2, এবং $\text\{CO\}_2$ তে এটি +4। কার্বন জারিত হয়।
• $\text\{H\}_2\text\{O\}$ তে হাইড্রোজেনের জারণ অবস্থা +1, এবং $\text\{H\}_2$ তে এটি 0। হাইড্রোজেন বিজারিত হয়।
• অতএব, $\text\{CO\}$ একটি বিজারক হিসাবে কাজ করে, এবং $\text\{H\}_2\text\{O\}$ (বাষ্প) একটি জারক হিসাবে কাজ করে ইলেকট্রন গ্রহণ করে (এর হাইড্রোজেন পরমাণু +1 থেকে 0 তে বিজারিত হয়)।

অভিমত-কারণ প্রশ্নাবলী

প্রশ্ন 1

অভিমত (A): হাইড্রোজেন ক্ষার ধাতু এবং হ্যালোজেন উভয়টির মতোই বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে। কারণ (R): হাইড্রোজেনের শুধুমাত্র তার সবচেয়ে বাইরের কক্ষে একটি ইলেকট্রন থাকে এবং এটি হয় একটি ইলেকট্রন হারিয়ে $\text\{H\}^+$ গঠন করতে পারে অথবা একটি ইলেকট্রন গ্রহণ করে $\text\{H\}^-$ গঠন করতে পারে।

A) A এবং R উভয়ই সত্য এবং R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা। B) A এবং R উভয়ই সত্য কিন্তু R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা নয়। C) A সত্য কিন্তু R মিথ্যা। D) A মিথ্যা কিন্তু R সত্য। E) A এবং R উভয়ই মিথ্যা।

সমাধান:

সঠিক উত্তর হল A)।

ব্যাখ্যা:

• অভিমত (A) সত্য। হাইড্রোজেনের ইলেকট্রন বিন্যাস $1s^1$।
  • ক্ষার ধাতুগুলির (গ্রুপ 1, $ns^1$) মতো, এটি তার যোজ্যতা ইলেকট্রন হারিয়ে একটি একক-ধনাত্মক আয়ন ($\text\{H\}^+$) গঠন করতে পারে, যদিও ঘনভূত অবস্থায় এটি বিরল।
  • হ্যালোজেনগুলির (গ্রুপ 17, $ns^2np^5$) মতো, এটি একটি স্থিতিশীল দ্বৈত বিন্যাস ($1s^2$) অর্জনের জন্য একটি ইলেকট্রন গ্রহণ করতে পারে এবং একটি একক-ঋণাত্মক আয়ন ($\text\{H\}^-$) গঠন করতে পারে।
• কারণ (R) সত্য এবং অভিমতটির সঠিক ব্যাখ্যা। $1s^1$ বিন্যাসের কারণে ইলেকট্রন হারানো এবং গ্রহণ করার উভয় ক্ষমতাই হাইড্রোজেনকে ক্ষার ধাতু এবং হ্যালোজেন উভয়ের সাথে দ্বৈত সাদৃশ্য দেখানোর মূল কারণ।

প্রশ্ন 2

অভিমত (A): ডাইহাইড্রোজেন কক্ষ তাপমাত্রায় কম প্রতিক্রিয়াশীল। কারণ (R): $\text\{H\}-\text\{H\}$ বন্ধন বিয়োজন এনথালপি খুব বেশি।

A) A এবং R উভয়ই সত্য এবং R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা। B) A এবং R উভয়ই সত্য কিন্তু R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা নয়। C) A সত্য কিন্তু R মিথ্যা। D) A মিথ্যা কিন্তু R সত্য। E) A এবং R উভয়ই মিথ্যা।

সমাধান:

সঠিক উত্তর হল A)।

ব্যাখ্যা:

• অভিমত (A) সত্য। ডাইহাইড্রোজেন ($\text\{H\}_2$) কক্ষ তাপমাত্রায় তুলনামূলকভাবে নিষ্ক্রিয়। এটি সাধারণত উচ্চ তাপমাত্রায় বা অনুঘটকের উপস্থিতিতে বিক্রিয়া করে।
• কারণ (R) সত্য। $\text\{H\}_2$ অণুতে $\text\{H\}-\text\{H\}$ বন্ধন খুব শক্তিশালী, যার বন্ধন বিয়োজন এনথালপি 435.88 kJ/mol। এই উচ্চ বন্ধন বিয়োজন এনথালপি মানে $\text\{H\}-\text\{H\}$ বন্ধন ভাঙতে উল্লেখযোগ্য পরিমাণ শক্তির প্রয়োজন হয়, যা ডাইহাইড্রোজেনের বেশিরভাগ বিক্রিয়ার প্রাথমিক ধাপ।
• উচ্চ বন্ধন বিয়োজন এনথালপি সরাসরি ব্যাখ্যা করে কেন ডাইহাইড্রোজেন কক্ষ তাপমাত্রায় কম প্রতিক্রিয়াশীল, কারণ শক্তিশালী বন্ধন ভাঙতে যথেষ্ট শক্তি উপলব্ধ থাকে না। সুতরাং, কারণ (R) হল অভিমত (A) এর সঠিক ব্যাখ্যা।

সংক্ষিপ্ত উত্তর প্রশ্নাবলী

প্রশ্ন 1

‘অর্থো’ এবং ‘প্যারা’ হাইড্রোজেন পদগুলি ব্যাখ্যা করুন। বৈশিষ্ট্যগুলির ক্ষেত্রে তারা কীভাবে ভিন্ন?

মডেল উত্তর:

ডাইহাইড্রোজেন ($\text\{H\}_2$) দুটি হাইড্রোজেন পরমাণুর নিউক্লিয়াসগুলির আপেক্ষিক স্পিনের উপর ভিত্তি করে দুটি রূপে বিদ্যমান:

1. অর্থো হাইড্রোজেন: এই রূপে, দুটি হাইড্রোজেন নিউক্লিয়াসের (প্রোটন) স্পিনগুলি একই দিকে থাকে (সমান্তরাল স্পিন)।
2. প্যারা হাইড্রোজেন: এই রূপে, দুটি হাইড্রোজেন নিউক্লিয়াসের (প্রোটন) স্পিনগুলি বিপরীত দিকে থাকে (অ্যান্টিপ্যারালাল স্পিন)।

বৈশিষ্ট্যের পার্থক্য:

• শক্তি: প্যারা হাইড্রোজেন অর্থো হাইড্রোজেনের চেয়ে কম শক্তি সম্পন্ন এবং বেশি স্থিতিশীল।
• আপেক্ষিক তাপ: অর্থো হাইড্রোজেনের আপেক্ষিক তাপ ধারণ ক্ষমতা প্যারা হাইড্রোজেনের চেয়ে বেশি।
• তাপ পরিবাহিতা: অর্থো হাইড্রোজেনের তাপ পরিবাহিতা প্যারা হাইড্রোজেনের চেয়ে বেশি।
• চৌম্বকীয় বৈশিষ্ট্য: অর্থো হাইড্রোজেনের একটি নেট নিউক্লিয়ার চৌম্বক মুহূর্ত থাকে, যখন প্যারা হাইড্রোজেনের নেট নিউক্লিয়ার চৌম্বক মুহূর্ত শূন্য থাকে।
• সাম্যাবস্থা: কক্ষ তাপমাত্রায় (25°C), সাম্যাবস্থা মিশ্রণে প্রায় 75% অর্থো হাইড্রোজেন এবং 25% প্যারা হাইড্রোজেন থাকে। তাপমাত্রা কমার সাথে সাথে প্যারা হাইড্রোজেনের শতাংশ বৃদ্ধি পায়, যা পরম শূন্য তাপমাত্রায় প্রায় 100% এ পৌঁছায়। দুটি রূপের মধ্যে রূপান্তর ধীরগতিতে হয় তবে সক্রিয় কাঠকয়লা, পারমাণবিক হাইড্রোজেন বা প্যারাচৌম্বকীয় পদার্থ দ্বারা অনুঘটকিত হতে পারে।

প্রশ্ন 2

ওয়াটার-গ্যাস শিফট বিক্রিয়াটি বর্ণনা করুন, এতে ব্যবহৃত অনুঘটক এবং হাইড্রোজেন উৎপাদনে এর গুরুত্ব সহ।

মডেল উত্তর:

ওয়াটার-গ্যাস শিফট বিক্রিয়া হল একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া যা কার্বন মনোক্সাইড ($\text\{CO\}$) এবং বাষ্প ($\text\{H\}_2\text\{O\}$) থেকে অতিরিক্ত ডাইহাইড্রোজেন ($\text\{H\}_2$) তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়। এটি নিম্নলিখিত সাম্যাবস্থা দ্বারা উপস্থাপিত হয়:

$\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \rightleftharpoons \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

প্রক্রিয়া এবং অনুঘটক: এই বিক্রিয়াটি উত্তপ্ত অনুঘটকের উপর দিয়ে কার্বন মনোক্সাইড (যা হাইড্রোকার্বনের স্টিম রিফর্মিং বা কয়লার গ্যাসফিকেশন থেকে প্রাপ্ত হয়, যা “ওয়াটার গ্যাস” তৈরি করে যা $\text\{CO\}$ এবং $\text\{H\}_2$ এর মিশ্রণ) চালনা করে সম্পন্ন করা হয়।

• অনুঘটক: সাধারণত, আয়রন ক্রোমেট ($\text\{FeCr\}_2\text\{O\}_4$) বা আয়রন অক্সাইড এবং ক্রোমিয়াম অক্সাইডের মিশ্রণ ($\text\{Fe\}_2\text\{O\}_3/\text\{Cr\}_2\text\{O\}_3$) উচ্চ তাপমাত্রায় ($\sim 400-500^\circ\text\{C\}$) ব্যবহৃত হয়। নিম্ন-তাপমাত্রার শিফটের জন্য, একটি কপার-জিঙ্ক অক্সাইড অনুঘটক ব্যবহার করা হয়।
• শর্তাবলী: যুক্তিসঙ্গত বিক্রিয়ার হার অর্জনের জন্য উচ্চ তাপমাত্রা প্রয়োজন।

হাইড্রোজেন উৎপাদনে গুরুত্ব:

1. $\text\{H\}_2$ ফলন বৃদ্ধি করে: এটি ওয়াটার গ্যাসের $\text\{CO\}$ উপাদানকে ($\text\{CO\}$ এবং $\text\{H\}_2$ এর মিশ্রণ) আরও $\text\{H\}_2$ তে রূপান্তরিত করতে সাহায্য করে, যার ফলে কয়লা গ্যাসফিকেশন বা প্রাকৃতিক গ্যাসের স্টিম রিফর্মিংয়ের মতো প্রক্রিয়া থেকে ডাইহাইড্রোজেনের সামগ্রিক ফলন বৃদ্ধি পায়।
2. $\text\{CO\}$ অপসারণ করে: এই বিক্রিয়া $\text\{CO\}$ কে $\text\{CO\}_2$ তে রূপান্তরিত করে। $\text\{CO\}$ অনেক অনুঘটকের জন্য বিষাক্ত, বিশেষ করে অ্যামোনিয়া সংশ্লেষণ (হ্যাবার প্রক্রিয়া) বা জ্বালানী কোষে ব্যবহৃত অনুঘটকগুলির জন্য। $\text\{CO\}$ অপসারণ এই অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য প্রয়োজনীয় হাইড্রোজেনের বিশুদ্ধতা নিশ্চিত করে। উৎপাদিত $\text\{CO\}_2$ তখন পটাসিয়াম কার্বনেটের দ্রবণ বা অন্যান্য শোষকগুলিতে শোষণ করে সহজেই অপসারণ করা যায়।

উচ্চতর চিন্তন দক্ষতা (HOTS) প্রশ্ন

ক্ষার ধাতুগুলির ($\text\{1s^1\}$) মতো ইলেকট্রন বিন্যাস থাকা সত্ত্বেও, হাইড্রোজেন সাধারণত জলীয় দ্রবণে $\text\{H\}^+$ আয়ন গঠন করে না এবং এর রসায়ন স্বতন্ত্র। ব্যাখ্যা করুন কেন হাইড্রোজেনের আচরণ অনন্য এবং ক্ষার ধাতু বা হ্যালোজেনগুলির সাথে সম্পূর্ণরূপে সাদৃশ্যপূর্ণ নয়।

বিস্তারিত রাসায়নিক ব্যাখ্যা:

পর্যায় সারণীতে হাইড্রোজেনের অনন্য অবস্থান এবং এর স্বতন্ত্র রাসায়নিক আচরণ প্রধানত এর অত্যন্ত ক্ষুদ্র আকার, উচ্চ আয়নীকরণ এনথালপি এবং হ্যালোজেনগুলির তুলনায় তুলনামূলকভাবে কম ইলেকট্রন গ্রহণ এনথালপি থেকে উদ্ভূত হয়।

1. উচ্চ আয়নীকরণ এনথালপি:

   • হাইড্রোজেনের জন্য, $1s$ অরবিটালে একক ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসের খুব কাছাকাছি থাকে, যার ফলে শক্তিশালী নিউক্লিয়াসের আকর্ষণ হয়। এর আয়নীকরণ এনথালপি (1312 kJ/mol) ক্ষার ধাতুগুলির (যেমন, Li: 520 kJ/mol, Na: 496 kJ/mol) চেয়ে অনেক বেশি।
   • এই উচ্চ আয়নীকরণ এনথালপি মানে একটি ইলেকট্রন হারিয়ে একটি খালি $\text\{H\}^+$ আয়ন (একটি প্রোটন) গঠন করা শক্তিগতভাবে অত্যন্ত প্রতিকূল। একটি খালি প্রোটনের অত্যন্ত উচ্চ চার্জ ঘনত্ব থাকে এবং এটি জলীয় দ্রবণে কখনও মুক্ত অবস্থায় পাওয়া যায় না। পরিবর্তে, এটি অন্যান্য অণুর সাথে, বিশেষত জলের সাথে, হাইড্রোনিয়াম আয়ন ($\text\{H\}_3\text\{O\}^+$) বা অন্যান্য প্রোটোনেটেড প্রজাতি গঠন করতে দ্রুত যুক্ত হয়। এটি ক্ষার ধাতুগুলি থেকে এটিকে উল্লেখযোগ্যভাবে আলাদা করে, যা সহজেই স্থিতিশীল, হাইড্রেটেড $\text\{M\}^+$ আয়ন গঠন করে।

2. ইলেকট্রন গ্রহণ এনথালপি:

   • হাইড্রোজেনের ইলেকট্রন গ্রহণ এনথালপি সামান্য ঋণাত্মক (-73 kJ/mol), যা হ্যালোজেনগুলির (যেমন, F: -328 kJ/mol, Cl: -349 kJ/mol) চেয়ে অনেক কম ঋণাত্মক (কম তাপোৎপাদী)।
   • যদিও হাইড্রোজেন একটি ইলেকট্রন গ্রহণ করে হাইড্রাইড আয়ন ($\text\{H\}^-$) গঠন করতে পারে, তবে $\text\{H\}^-$ এর স্থায়িত্ব সাধারণত হ্যালাইড আয়ন ($\text\{X\}^-$) এর চেয়ে কম। কম তড়িৎ-ধনাত্মক মৌলগুলির সাথে বিক্রিয়া করার সময় $\text\{H\}^-$ গঠনের জন্য উল্লেখযোগ্য শক্তির ইনপুট প্রয়োজন। এই আচরণ মূলত অত্যন্ত তড়িৎ-ধনাত্মক মৌলগুলির যেমন ক্ষার এবং ক্ষারীয় মৃত্তিকা ধাতুগুলির সাথে দেখা যায়, যা আয়নিক হাইড্রাইড গঠন করে।

3. সমযোজী বন্ধন গঠন:

   • এর মধ্যবর্তী তড়িৎঋণাত্মকতা (পাউলিং স্কেলে 2.20) বিবেচনা করে, হাইড্রোজেন প্রধানত তার ইলেকট্রন ভাগ করে স্থিতিশীল সমযোজী বন্ধন গঠন করে। এটি ক্ষার ধাতুগুলির থেকে সম্পূর্ণ বিপরীত, যা প্রাথমিকভাবে আয়নিক যৌগ গঠন করে, এবং হ্যালোজেনগুলিও উল্লেখযোগ্য সমযোজী বন্ধন গঠন করতে পারে তবে সাধারণত অষ্টক অর্জনের লক্ষ্য রাখে।
   • একটি একক সমযোজী বন্ধন গঠন হাইড্রোজেনকে স্থিতিশীল দ্বৈত বিন্যাস (হিলিয়ামের মতো) অর্জন করতে দেয়, যা এর পছন্দের অবস্থা। সমযোজী বন্ধনের এই প্রবণতা অসংখ্য জৈব যৌগ এবং অনেক অজৈব হাইড্রাইডের ভিত্তি।

4. d-অরবিটালের অনুপস্থিতি:

   • অনেক p-ব্লক মৌলগুলির মতো, যেগুলি খালি d-অরবিটালের উপলব্ধতার কারণে তাদের অষ্টক সম্প্রসারিত করতে পারে, হাইড্রোজেনের কোনো d-অরবিটাল নেই। এটি কেবলমাত্র একটি বন্ধন গঠন করতে পারে, তা সমযোজী বা আয়নিক হোক না কেন। এটি এর সমন্বয় সংখ্যা এবং সামগ্রিক রাসায়নিক বহুমুখিতা সীমিত করে তার সম্ভাব্য গ্রুপগুলির নীচের উপাদানগুলির তুলনায়।

সংক্ষেপে, হাইড্রোজেনের অনন্য আকার, আয়নীকরণ শক্তি এবং ইলেকট্রন আসক্তি এটিকে নিজস্ব একটি রাসায়নিক শ্রেণীতে স্থাপন করে। এটি একটি সেতু উপাদান যা গ্রুপ 1 এবং গ্রুপ 17 উভয়টিরই নির্দিষ্ট কিছু দিক অনুকরণ করতে পারে, তবে মূলত, এর ক্ষুদ্র আকার এবং সমযোজী বন্ধন দ্বারা একটি স্থিতিশীল দ্বৈত অর্জন করার প্রবণতা এর স্বতন্ত্র এবং সমৃদ্ধ রসায়নকে নির্দেশ করে।