সিলিকন (Si) এর রসায়ন - অনুশীলন প্রশ্ন

বহুনির্বাচনী প্রশ্ন (MCQs)

প্রশ্ন 1

সিলিকোন সম্পর্কে নিম্নলিখিত বিবৃতিগুলির মধ্যে কোনটি ভুল?

A) এগুলি R₂SiO পুনরাবৃত্ত একক ধারণকারী পলিমার। B) এগুলি সাধারণত প্রকৃতিতে হাইড্রোফোবিক। C) এগুলি তাপীয়ভাবে স্থিতিশীল এবং রাসায়নিক আক্রমণের প্রতিরোধী। D) এদের মূল শৃঙ্খলে শক্তিশালী Si=Si দ্বিবন্ধন থাকে।

সমাধান:

সঠিক উত্তর: D)

ব্যাখ্যা: সিলিকোনগুলি হল অর্গানোসিলিকন পলিমার যার সাধারণ সূত্র (R₂SiO)n, যেখানে R একটি অ্যালকাইল বা অ্যারাইল গ্রুপ। এদের মূল শৃঙ্খল Si-O-Si সংযোগ নিয়ে গঠিত, Si=Si দ্বিবন্ধন দিয়ে নয়। Si-O বন্ধন অত্যন্ত শক্তিশালী, যা তাদের তাপীয় স্থিতিশীলতা এবং রাসায়নিক নিষ্ক্রিয়তায় অবদান রাখে। অধ্রুবীয় অ্যালকাইল বা অ্যারাইল গ্রুপগুলির উপস্থিতি তাদের হাইড্রোফোবিক করে তোলে।

প্রশ্ন 2

যখন সিলিকা (SiO₂) হাইড্রোজেন ফ্লোরাইড (HF) এর সাথে বিক্রিয়া করে, তখন যে উৎপাদ তৈরি হয় তা হল:

A) SiF₄ B) H₂SiF₆ C) SiF₄ এবং H₂O D) SiF₄ এবং H₂SiF₆

সমাধান:

সঠিক উত্তর: C)

ব্যাখ্যা: সিলিকা (SiO₂) একটি অত্যন্ত স্থিতিশীল যৌগ। এটি হাইড্রোজেন ফ্লোরাইডের সাথে বিক্রিয়া করে সিলিকন টেট্রাফ্লোরাইড এবং জল তৈরি করে। SiO₂(s) + 4HF(aq) \rightarrow SiF₄(g) + 2H₂O(l) SiF₄ আরও জলীয় HF এর উপস্থিতিতে বিক্রিয়া করে ফ্লুরোসিলিসিক অ্যাসিড (H₂SiF₆) তৈরি করতে পারে, তবে SiO₂ এবং HF এর বিক্রিয়া থেকে প্রাথমিক এবং প্রথমিক উৎপাদ হল SiF₄ এবং জল। প্রশ্নটি “গঠিত উৎপাদ” জিজ্ঞাসা করে, যা সরাসরি বিক্রিয়াকে বোঝায়।

প্রশ্ন 3

প্রদত্ত যৌগগুলির মধ্যে কোনটি কার্বোরাণ্ডাম নামে পরিচিত?

A) SiC B) SiO₂ C) SiH₄ D) SiF₄

সমাধান:

সঠিক উত্তর: A)

ব্যাখ্যা: কার্বোরাণ্ডাম হল সিলিকন কার্বাইড (SiC) এর সাধারণ নাম। এটি একটি অত্যন্ত শক্ত উপাদান, যা উচ্চ তাপীয় স্থিতিশীলতার কারণে প্রায়শই ঘষিয়া তুলিয়া ফেলিতে সক্ষম পদার্থ এবং রিফ্র্যাক্টরি উপকরণগুলিতে ব্যবহৃত হয়। SiO₂ হল সিলিকা, SiH₄ হল সিলেন এবং SiF₄ হল সিলিকন টেট্রাফ্লোরাইড।

অ্যাসারশন-রিজন প্রশ্ন

প্রশ্ন 4

অ্যাসারশন (A): সিলিকন সহজে স্থিতিশীল pπ-pπ বহু-বন্ধন গঠন করে না। কারণ (R): সিলিকনের পারমাণবিক অরবিটালগুলি কার্বনের তুলনায় অনেক বড় এবং আরও বিস্তৃত, যা pπ-pπ ওভারল্যাপকে অকার্যকর করে তোলে।

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: A)

ব্যাখ্যা: অ্যাসারশন (A) সত্য। কার্বনের বিপরীতে, যা সহজে স্থিতিশীল C=C এবং C=O pπ-pπ বন্ধন গঠন করে, সিলিকন সাধারণত একক বন্ধন গঠন করে। কারণ (R)-ও সত্য এবং অ্যাসারশন (A)-এর সঠিক ব্যাখ্যা। কার্বনের (পিরিয়ড 2 মৌল) তুলনায় সিলিকনের (পিরিয়ড 3 মৌল) বৃহত্তর পারমাণবিক আকারের কারণে, এর 3p অরবিটালগুলি আরও বিস্তৃত। এর ফলে শক্তিশালী pπ-pπ বন্ধনের জন্য প্রয়োজনীয় পার্শ্বীয় ওভারল্যাপ দুর্বল এবং অকার্যকর হয়, যা সিলিকনের সাথে বহু-বন্ধনকে অনেক কম স্থিতিশীল করে তোলে। এর পরিবর্তে, সিলিকন শক্তিশালী Si-O একক বন্ধন বা প্রসারিত Si-Si নেটওয়ার্ক গঠন করতে পছন্দ করে।

প্রশ্ন 5

অ্যাসারশন (A): সিলিকোন প্রকৃতিতে জল-প্রতিরোধী (হাইড্রোফোবিক)। কারণ (R): সিলিকোনগুলিতে সিলিকন পরমাণুর সাথে সংযুক্ত অ্যালকাইল গ্রুপগুলি অধ্রুবীয় এবং বাইরের দিকে প্রক্ষিপ্ত থাকে, যা পৃষ্ঠকে অধ্রুবীয় করে তোলে।

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: A)

ব্যাখ্যা: অ্যাসারশন (A) সত্য। সিলিকোনগুলি প্রকৃতপক্ষে হাইড্রোফোবিক, অর্থাৎ তারা জলকে প্রতিহত করে। এই বৈশিষ্ট্য তাদের জলরোধী এজেন্ট এবং সিল্যান্টের মতো বিভিন্ন প্রয়োগে উপযোগী করে তোলে। কারণ (R)-ও সত্য এবং অ্যাসারশন (A)-এর সঠিক ব্যাখ্যা প্রদান করে। সিলিকোনগুলির একটি Si-O-Si মূল শৃঙ্খল রয়েছে, তবে সিলিকন পরমাণুগুলি জৈব অ্যালকাইল (R) বা অ্যারাইল গ্রুপগুলির সাথেও আবদ্ধ থাকে। এই জৈব গ্রুপগুলি অধ্রুবীয়। যখন সিলিকোনগুলি একটি বৃহৎ পদার্থে গঠিত হয়, তখন এই অধ্রুবীয় R গ্রুপগুলি কার্যকরভাবে ধ্রুবীয় Si-O কোরকে ঘিরে ফেলে, যা একটি অধ্রুবীয়, জল-প্রতিরোধী পৃষ্ঠ তৈরি করে।

সংক্ষিপ্ত উত্তর প্রশ্ন

প্রশ্ন 6

সিলিকোনগুলির প্রস্তুতি এবং দুটি গুরুত্বপূর্ণ ব্যবহার ব্যাখ্যা করুন।

মডেল উত্তর:

সিলিকোন প্রস্তুতি: সিলিকোনগুলি হল অর্গানোসিলিকন পলিমার যা অ্যালকাইল বা অ্যারাইল প্রতিস্থাপিত ক্লোরোসিলেন, যেমন RSiCl₃, R₂SiCl₂, R₃SiCl বা তাদের মিশ্রণ থেকে প্রস্তুত করা হয়।

1. সরাসরি সংশ্লেষণ (Direct Synthesis): অ্যালকাইল হ্যালাইড (যেমন, CH₃Cl) উচ্চ তাপমাত্রায় (প্রায় 570 K) সিলিকনের সাথে কপার পাউডারকে অনুঘটক হিসাবে ব্যবহার করে বিক্রিয়া করে বিভিন্ন মিথাইল-প্রতিস্থাপিত ক্লোরোসিলেন গঠন করে। 2CH₃Cl + Si \xrightarrow\{Cu, 570K\} (CH₃)₂SiCl₂ (ডাইমিথাইল ডাইক্লোরোসিলেন) CH₃SiCl₃ এবং (CH₃)₃SiCl এর মতো অন্যান্য উৎপাদও গঠিত হয়।
2. হাইড্রোলাইসিস (Hydrolysis): ক্লোরোসিলেনগুলি হাইড্রোলাইসিসের মাধ্যমে সিলানল গঠন করে, যা অস্থির এবং সহজেই ঘনীভবন পলিমারাইজেশন-এর মধ্য দিয়ে যায়। (CH₃)₂SiCl₂ + 2H₂O \rightarrow (CH₃)₂Si(OH)₂ + 2HCl (ডাইমিথাইল সিলানল)
3. পলিমারাইজেশন (Polymerization): সিলানলগুলি জল অণু অপসারণের মাধ্যমে ঘনীভূত হয়ে রৈখিক, চাক্রিক বা ক্রস-লিঙ্কড পলিমেরিক সিলিকোন গঠন করে। n (CH₃)₂Si(OH)₂ \rightarrow [-O-Si(CH₃)₂-]n + nH₂O (রৈখিক সিলিকোন)

সিলিকোনগুলির ব্যবহার:

1. জলরোধী এজেন্ট: তাদের হাইড্রোফোবিক প্রকৃতি এবং কম পৃষ্ঠটানের কারণে, সিলিকোনগুলি কাপড়, কাগজ এবং রাজমিস্ত্রীর কাজ জলরোধী করতে ব্যবহৃত হয়।
2. সিল্যান্ট এবং আঠালো পদার্থ: তাদের নমনীয়তা, তাপীয় স্থিতিশীলতা এবং আঠালো বৈশিষ্ট্যের কারণে এগুলি নির্মাণ, স্বয়ংচালিত এবং ইলেকট্রনিক শিল্পে ব্যবহৃত চমৎকার সিল্যান্ট।
3. লুব্রিকেন্টস: তাদের তাপীয় স্থিতিশীলতা এবং তাপমাত্রার সাথে সান্দ্রতার কম পরিবর্তনের কারণে সিলিকোন তেল উচ্চ-তাপমাত্রার লুব্রিকেন্ট হিসাবে ব্যবহৃত হয়।
4. কসমেটিকস এবং মেডিকেল ইমপ্ল্যান্ট: তাদের জৈব সামঞ্জস্যতা (biocompatibility) এবং নিষ্ক্রিয়তার কারণে এগুলি কসমেটিকস, ব্যক্তিগত যত্নের পণ্য এবং বিভিন্ন মেডিকেল ইমপ্ল্যান্টে (যেমন, ব্রেস্ট ইমপ্ল্যান্ট, পেসমেকার) ব্যবহারের জন্য উপযুক্ত।

প্রশ্ন 7

সিলিকন ডাইঅক্সাইড (SiO₂) একটি সমযোজী নেটওয়ার্ক কঠিন, যখন কার্বন ডাইঅক্সাইড (CO₂) একটি বিচ্ছিন্ন আণবিক কঠিন। গঠন এবং বৈশিষ্ট্যের এই পার্থক্যের কারণ ব্যাখ্যা করুন।

মডেল উত্তর:

SiO₂ এবং CO₂ এর গঠনের মৌলিক পার্থক্য কার্বন এবং সিলিকনের সাথে জড়িত pπ-pπ বন্ধনের স্বতন্ত্র প্রকৃতি থেকে উদ্ভূত হয়।

1. কার্বন ডাইঅক্সাইড (CO₂):

   • কার্বন পিরিয়ড 2 এর একটি ছোট পরমাণু। এটি অক্সিজেনের সাথে শক্তিশালী এবং স্থিতিশীল pπ-pπ বন্ধন গঠন করতে পারে।
   • CO₂-তে, কার্বন দুটি অক্সিজেন পরমাণুর সাথে দুটি দ্বিবন্ধন গঠন করে (O=C=O)। এর ফলে একটি বিচ্ছিন্ন, রৈখিক, ত্রি-পারমাণবিক অণু তৈরি হয়।
   • এই CO₂ অণুগুলি দুর্বল আন্তঃআণবিক ভ্যান ডার ওয়ালস বল দ্বারা একত্রিত থাকে।
   • ফলস্বরূপ, CO₂ ঘরের তাপমাত্রায় একটি গ্যাস এবং কম তাপমাত্রায় একটি আণবিক কঠিন, যার গলনাঙ্ক এবং স্ফুটনাঙ্ক খুব কম।

2. সিলিকন ডাইঅক্সাইড (SiO₂):

   • সিলিকন পিরিয়ড 3 এর একটি বড় পরমাণু। এর বৃহত্তর পারমাণবিক আকার এবং আরও বিস্তৃত 3p অরবিটালগুলির কারণে, অক্সিজেনের সাথে pπ-pπ ওভারল্যাপ কার্বনের তুলনায় অনেক কম কার্যকর এবং কম স্থিতিশীল।
   • দ্বিবন্ধন গঠনের পরিবর্তে, সিলিকন চারটি শক্তিশালী Si-O একক বন্ধন গঠন করতে পছন্দ করে।
   • SiO₂ (যেমন, কোয়ার্টজ)-এ, প্রতিটি সিলিকন পরমাণু চারটি অক্সিজেন পরমাণুর সাথে টেট্রাহেড্রালি আবদ্ধ থাকে এবং প্রতিটি অক্সিজেন পরমাণু দুটি সিলিকন পরমাণুর দ্বারা ভাগ করা হয়। এটি একটি বিশাল, ত্রিমাত্রিক সমযোজী নেটওয়ার্ক কাঠামো (বা ম্যাক্রোমোলিকিউল) গঠন করে।
   • এই নেটওয়ার্ক ভাঙতে শক্তিশালী সমযোজী বন্ধনগুলিকে অতিক্রম করার জন্য উল্লেখযোগ্য পরিমাণ শক্তির প্রয়োজন হয়।
   • অতএব, SiO₂ একটি শক্ত, উচ্চ গলনাঙ্ক বিশিষ্ট কঠিন পদার্থ যা জলে অদ্রবণীয় এবং সাধারণত অ-বিক্রিয়াপূর্ণ।

সংক্ষেপে, কার্বনের স্থিতিশীল pπ-pπ বন্ধন গঠনের ক্ষমতা বিচ্ছিন্ন CO₂ অণু তৈরি করে, যখন সিলিকনের কার্যকরভাবে এটি করতে না পারার কারণে SiO₂ এর জন্য একটি প্রসারিত সমযোজী নেটওয়ার্ক কাঠামো তৈরি হয়।

উচ্চ-স্তরের চিন্তাভাবনা দক্ষতা (HOTS) প্রশ্ন

প্রশ্ন 8

সিলিকন একটি অর্ধপরিবাহী এবং ইলেকট্রনিক যন্ত্রপাতিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। কীভাবে বিশুদ্ধ সিলিকনের বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা ডোপিংয়ের মাধ্যমে উল্লেখযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হতে পারে, উভয় n-টাইপ এবং p-টাইপ অর্ধপরিবাহী বর্ণনা করে তা ব্যাখ্যা করুন।

বিস্তারিত রাসায়নিক ব্যাখ্যা:

বিশুদ্ধ সিলিকন একটি ইন্ট্রিনসিক অর্ধপরিবাহী, যার অর্থ এটি ঘরের তাপমাত্রায় খুব কম বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা প্রদর্শন করে। তাপমাত্রার সাথে এর পরিবাহিতা বৃদ্ধি পায় কারণ আরও ইলেক্ট্রন সমযোজী বন্ধন থেকে মুক্ত হয়ে কন্ডাকশন ব্যান্ডে স্থানান্তরিত হওয়ার জন্য যথেষ্ট শক্তি অর্জন করে, যার ফলে ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরি হয়। তবে, ব্যবহারিক ইলেকট্রনিক অ্যাপ্লিকেশনের জন্য, এর পরিবাহিতা সুনির্দিষ্টভাবে নিয়ন্ত্রণ করা প্রয়োজন, যা ডোপিং নামক একটি প্রক্রিয়ার মাধ্যমে অর্জন করা হয়।

ডোপিংয়ে বিশুদ্ধ সিলিকনে অল্প পরিমাণে অপদ্রব্য মৌল যোগ করা হয়। এই অপদ্রব্যগুলি হয় অতিরিক্ত ইলেকট্রন অথবা অতিরিক্ত “হোল” (শূন্য ইলেকট্রন স্থান) তৈরি করে, যার ফলে পরিবাহিতা বৃদ্ধি পায়।

1. n-টাইপ অর্ধপরিবাহী (Negative-type):

   • ডোপ্যান্ট: বিশুদ্ধ সিলিকন (গ্রুপ 14 মৌল, 4টি যোজ্যতা ইলেকট্রন) গ্রুপ 15 এর একটি পঞ্চযোজী অপদ্রব্য দ্বারা ডোপ করা হয়, যেমন ফসফরাস (P), আর্সেনিক (As), বা অ্যান্টিমনি (Sb)।
   • কার্যপ্রণালী: যখন একটি পঞ্চযোজী পরমাণু (যেমন, P) ক্রিস্টাল ল্যাটিসে একটি সিলিকন পরমাণুকে প্রতিস্থাপন করে, তখন এর পাঁচটি যোজ্যতা ইলেকট্রনের মধ্যে চারটি চারপাশের সিলিকন পরমাণুর সাথে সমযোজী বন্ধন গঠন করে। পঞ্চম যোজ্যতা ইলেকট্রনটি ফসফরাস পরমাণু দ্বারা শিথিলভাবে ধরে রাখা হয়।
   • চার্জ বাহক: এই অতিরিক্ত ইলেকট্রন বন্ধনে জড়িত থাকে না এবং কন্ডাকশন ব্যান্ডে স্থানান্তরিত হওয়ার জন্য খুব কম শক্তির প্রয়োজন হয়। এটি একটি মুক্ত ইলেকট্রন হয়ে ওঠে, যা একটি ঋণাত্মক চার্জ বাহক। অপদ্রব্য পরমাণুগুলিকে ডোনার অপদ্রব্য বলা হয় কারণ তারা একটি ইলেকট্রন “দান” করে।
   • পরিবাহিতা: n-টাইপ অর্ধপরিবাহীতে, ইলেকট্রনগুলি হল সংখ্যাগরিষ্ঠ চার্জ বাহক, এবং হোলগুলি হল সংখ্যালঘু চার্জ বাহক। পরিবাহিতা প্রাথমিকভাবে এই অতিরিক্ত মুক্ত ইলেকট্রনগুলির চলাচলের কারণে হয়।

2. p-টাইপ অর্ধপরিবাহী (Positive-type):

   • ডোপ্যান্ট: বিশুদ্ধ সিলিকন গ্রুপ 13 এর একটি ত্রিযোজী অপদ্রব্য দ্বারা ডোপ করা হয়, যেমন বোরন (B), অ্যালুমিনিয়াম (Al), বা গ্যালিয়াম (Ga)।
   • কার্যপ্রণালী: যখন একটি ত্রিযোজী পরমাণু (যেমন, B) ক্রিস্টাল ল্যাটিসে একটি সিলিকন পরমাণুকে প্রতিস্থাপন করে, তখন এটি তার তিনটি যোজ্যতা ইলেকট্রন ব্যবহার করে চারপাশের সিলিকন পরমাণুর মধ্যে তিনটির সাথে সমযোজী বন্ধন গঠন করে। চতুর্থ সমযোজী বন্ধন সম্পূর্ণ করার জন্য, বোরন পরমাণু একটি সংলগ্ন সিলিকন-সিলিকন বন্ধন থেকে একটি ইলেকট্রন “গ্রহণ” করে।
   • চার্জ বাহক: ইলেকট্রন গ্রহণের ফলে সমযোজী বন্ধন নেটওয়ার্কে একটি হোল (একটি ধনাত্মক শূন্যস্থান) তৈরি হয়। এই হোলটি তখন ক্রিস্টাল ল্যাটিসের মধ্য দিয়ে চলাচল করতে পারে কারণ অন্য একটি বন্ধন থেকে একটি ইলেকট্রন এতে ঝাঁপিয়ে পড়ে। অপদ্রব্য পরমাণুগুলিকে অ্যাক্সেপ্টর অপদ্রব্য বলা হয় কারণ তারা একটি ইলেকট্রন “গ্রহণ” করে, একটি হোল তৈরি করে।
   • পরিবাহিতা: p-টাইপ অর্ধপরিবাহীতে, হোলগুলি হল সংখ্যাগরিষ্ঠ চার্জ বাহক, এবং ইলেকট্রনগুলি হল সংখ্যালঘু চার্জ বাহক। পরিবাহিতা প্রাথমিকভাবে এই হোলগুলির চলাচলের কারণে হয়।

ডোপিংয়ের মাধ্যমে, চার্জ বাহকের (ইলেকট্রন বা হোল) ঘনত্ব কয়েকগুণ বৃদ্ধি করা যেতে পারে, যা সিলিকনকে একটি অত্যন্ত কার্যকর এবং নিয়ন্ত্রণযোগ্য অর্ধপরিবাহী করে তোলে, যা ডায়োড, ট্রানজিস্টর, ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট এবং অন্যান্য ইলেকট্রনিক উপাদানগুলির জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।