Chemistry chapter 2: States of Matter

দ্বিতীয় অধ্যায়

পদার্থের অবস্থা

(States of Matter)

পদার্থের বিশেষ বৈশিষ্ট্য হলো– এগুলোর ভর আছে এবং এরা স্থান দখল করে। যেমন- চেয়ার, টেবিল, খাতা, কলম, বরফ, পানি, বাতাস ইত্যাদি। একটি পদার্থ কঠিন, তরল ও গ্যাসীয়–এ তিন অবস্থাতেই থাকতে পারে। এ তিন অবস্থাতেই প্রত্যেক পদার্থের নিজস্ব কিছু ধর্ম ও বৈশিষ্ট্য দেখা যায়। এ বিষয়গুলোই এ অধ্যায়ে আলোচনা করা হবে।

Printed page 18

এ অধ্যায় পাঠ শেষে আমরা

• কণার গতিতত্ত্বের সাহায্যে পদার্থের ভৌত অবস্থা ব্যাখ্যা করতে পারব।
• কণার গতিতত্ত্বের সাহায্যে ব্যাপন ও নিঃসরণ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• পদার্থের ভৌত অবস্থা ও তাপের মধ্যে সম্পর্ক ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তাপমাত্রা বৃদ্ধিতে ব্যাপন হার বৃদ্ধি পরীক্ষার মাধ্যমে দেখাতে পারব।
• কঠিন পদার্থের গলন ও ঊর্ধ্বপাতন এবং তরল পদার্থের স্ফুটন প্রক্রিয়া বর্ণনা করতে পারব।
• কঠিন পদার্থের গলন ও ঊর্ধ্বপাতন এবং তরল পদার্থের স্ফুটন প্রক্রিয়া পরীক্ষার মাধ্যমে দেখাতে পারব।
• প্রকৃতিতে সংঘটিত বাস্তব ঘটনা রসায়নের দৃষ্টিতে বিশ্লেষণ করতে পারব।
• রাসায়নিক দ্রব্য ও থার্মোমিটার সঠিকভাবে ব্যবহার করতে পারব।

Printed page 19

২.১ পদার্থ ও পদার্থের অবস্থা (Matter and States of Matter)

যে বস্তুর নির্দিষ্ট ভর আছে এবং জায়গা দখল করে তাকে পদার্থ বলে। কক্ষ তাপমাত্রায় কোনো কোনো পদার্থ কঠিন, কোনো কোনো পদার্থ তরল আবার কোনো কোনো পদার্থ গ্যাসীয় অবস্থায় থাকে। যেমন– কক্ষ তাপমাত্রায় চিনি, খাদ্য লবণ, মার্বেল ইত্যাদি কঠিন অবস্থায়; পানি, তেল, কেরোসিন ইত্যাদি তরল অবস্থায় এবং নাইট্রোজেন, অক্সিজেন, কার্বন ডাই-অক্সাইড ইত্যাদি গ্যাসীয় অবস্থায় থাকে। তাপমাত্রা পরিবর্তন করে একই পদার্থকে কঠিন, তরল এবং গ্যাসীয় অবস্থায় রূপান্তর করা যায়। নিচে কঠিন, তরল ও গ্যাসীয় পদার্থের কিছু ধর্ম এবং বৈশিষ্ট্য আলোচনা করা হলো।

২.১.১ কঠিন পদার্থ (Solids)

কঠিন পদার্থের নির্দিষ্ট ভর, নির্দিষ্ট আকার এবং নির্দিষ্ট আয়তন থাকে। সব পদার্থের কণাগুলোর মধ্যেই এক ধরনের আকর্ষণ বল থাকে। একে আন্তঃকণা আকর্ষণ বল বলা হয়। কঠিন পদার্থের কণাগুলোর মধ্যে আন্তঃকণা আকর্ষণ বল সবচেয়ে বেশি। এ কারণে কঠিন পদার্থের কণাগুলো খুব কাছাকাছি এবং নির্দিষ্ট অবস্থানে থাকে, ফলে কঠিন পদার্থের নির্দিষ্ট আকার হয়। কঠিন পদার্থের উপর চাপ প্রয়োগ করলে এরা সংকুচিত হয় না। আবার, তাপমাত্রা বাড়ালে কঠিন পদার্থের আয়তন খুবই কম পরিমাণ বৃদ্ধি পায়। কঠিন পদার্থের কণাগুলো চলাচল বা স্থান ত্যাগ করতে পারেনা। তবে নিজস্ব স্থানে কম্পন সৃষ্টি করতে পারে।

২.১.২ তরল পদার্থ (Liquids)

তরল পদার্থের নির্দিষ্ট ভর ও নির্দিষ্ট আয়তন আছে কিন্তু নির্দিষ্ট কোনো আকার নেই। তরল পদার্থকে যে পাত্রে রাখা হয় সেই পাত্রের আকার ধারণ করে। তরল পদার্থের কণাগুলো কঠিন পদার্থের কণাগুলোর চেয়ে তুলনামূলকভাবে বেশি দূরত্বে থাকায় এদের মধ্যে আন্তঃকণা আকর্ষণ বল কঠিন পদার্থের চেয়ে কম হয়। তরল পদার্থে চাপ প্রয়োগ করলে আয়তন হ্রাস পায় না। তবে তাপ প্রয়োগ করলে তরল পদার্থের আয়তন বৃদ্ধি পায়। এই আয়তন বৃদ্ধির পরিমাণ কঠিন পদার্থের চেয়ে বেশি।

২.১.৩ গ্যাসীয় বা বায়বীয় পদার্থ (Gases)

গ্যাসীয় পদার্থের নির্দিষ্ট ভর আছে কিন্তু নির্দিষ্ট আকার বা আয়তন নেই। যেকোনো পরিমাণ গ্যাসীয় পদার্থ ভিন্ন ভিন্ন আয়তনের পাত্রে রাখলে পদার্থটি ধারক পাত্রের পুরো আয়তন দখল করে। গ্যাসীয় পদার্থের কণাগুলো কঠিন ও তরল পদার্থের চেয়ে অনেক বেশি দূরে দূরে অবস্থান করে। তাই এদের আন্তঃকণা

Printed page 20

আকর্ষণ বল খুবই কম। চাপ প্রয়োগ করলে গ্যাসীয় পদার্থের আয়তন অনেক কমে যায়। আবার, তাপ প্রয়োগ করলে গ্যাসীয় পদার্থের আয়তন অনেক বেড়ে যায়।

২.২ কণার গতিতত্ত্ব (Kinetic Theory of Particles)

সকল পদার্থই ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র কণা দ্বারা গঠিত। এই কণাগুলো একে অপরকে আকর্ষণ করে যাকে আন্তঃকণা আকর্ষণ শক্তি বলে। আবার কণাগুলোর গতিশক্তিও রয়েছে। আন্তঃকণা আকর্ষণ শক্তি এবং কণাগুলোর গতিশক্তি দিয়ে পদার্থের কঠিন, তরল ও গ্যাসীয় অবস্থা ব্যাখ্যা করার তত্ত্বকেই কণার গতিতত্ত্ব বলা হয়। যখন কোনো পদার্থের আন্তঃকণা আকর্ষণ শক্তি খুব বেশি থাকে তখন কণাগুলো খুব কাছাকাছি অবস্থান করে এবং নিজেদের অবস্থান পরিবর্তন করতে পারে না। এই অবস্থা হলো পদার্থটির কঠিন অবস্থা। কঠিন পদার্থে তাপ দেওয়া হলে পদার্থের কণাগুলো তাপশক্তি গ্রহণ করে কাঁপতে থাকে। ফলে আন্তঃকণা আকর্ষণ শক্তি কমে যায় এবং কণাগুলো কিছুটা গতিশক্তি প্রাপ্ত হয়। পদার্থের এই অবস্থাকে তরল অবস্থা বলে। তরল পদার্থের নির্দিষ্ট আয়তন থাকলেও নির্দিষ্ট আকার থাকে না। তরল অবস্থায় পদার্থে আরো বেশি তাপ দেওয়া হলে কণাগুলো তাপশক্তি নিয়ে গতিশক্তি বৃদ্ধি করতে থাকে এবং এক সময় গতিশক্তি এত বেড়ে যায় যে কণাগুলো আন্তঃকণা আকর্ষণ শক্তি থেকে প্রায় মুক্ত হয়ে বিক্ষিপ্তভাবে ছুটতে থাকে। পদার্থের এই অবস্থাকে গ্যাসীয় অবস্থা বলে। গ্যাসীয় অবস্থায় পদার্থের কোনো নির্দিষ্ট আয়তন থাকে না। তাকে যে আয়তনের পাত্রে রাখা হবে কণাগুলো সেই আয়তনেই ছোটাছুটি করতে থাকে। এজন্য গ্যাসীয় পদার্থের নির্দিষ্ট কোনো আয়তন নাই। যে পাত্রে রাখা হয় সে পাত্রের আয়তনই গ্যাসের আয়তন এতে পরিমাণ যাই হোক না কেন। গ্যাসীয় অবস্থায় পৌঁছানোর পর যদি আরও তাপ দেওয়া হয় তখন কণাগুলো আরও জোরে ছুটতে থাকবে অর্থাৎ গতিশক্তি আরও বেড়ে যাবে।

Figure: চিত্র ২.০১: কণার গতিতত্ত্ব

লেবেল: কঠিন পদার্থ, তরল পদার্থ, গ্যাসীয় বা বায়বীয় পদার্থ বর্ণনা: তিনটি আলাদা ঘনক্ষেত্র পাশাপাশি দেখানো হয়েছে। প্রথম ঘনকে একটি ছোট ঘন বস্তু পাত্রের নিচে স্থির অবস্থায় আছে (কঠিন পদার্থ)। দ্বিতীয় ঘনকের নিচের অংশে একটি সমতল স্তর আছে (তরল পদার্থ)। তৃতীয় ঘনকে সর্বত্র ছড়ানো অসংখ্য বিন্দু দেখা যাচ্ছে (গ্যাসীয় বা বায়বীয় পদার্থ)। প্রতিটি লেবেল থেকে একটি করে তীর সংশ্লিষ্ট অংশের দিকে নির্দেশ করছে।

Printed page 21

২.৩ ব্যাপন (Diffusion)

কঠিন, তরল ও বায়বীয় মাধ্যমে কোন পদার্থের কণাসমূহের স্বতঃস্ফূর্ত ও সমানভাবে ছড়িয়ে পড়ার প্রক্রিয়াকে ব্যাপন বলে। ব্যাপন প্রক্রিয়ায় কণাসমূহ উচ্চ ঘনমাত্রার স্থান থেকে নিম্ন ঘনমাত্রার স্থানের দিকে স্বতঃস্ফূর্তভাবে ছড়িয়ে পড়ে। যেমন- ঘরের এক কোণে কোনো একটি সুগন্ধির শিশির মুখ খুলে রাখলে কিছুক্ষণের মধ্যে সারা ঘরে সুগন্ধ ছড়িয়ে পড়ে। এটি ব্যাপন প্রক্রিয়ার উদাহরণ। যে মাধ্যমে কণাগুলি ছড়িয়ে পড়তে কম সময় লাগে, সে মাধ্যমে ব্যাপন হার বেশি এবং যে মাধ্যমে কণাগুলি ছড়িয়ে পড়তে বেশি সময় লাগে, সে মাধ্যমে ব্যাপন হার কম। যেমন বায়বীয় মাধ্যমে ব্যাপন হার তরল মাধ্যম হতে বেশি। একইভাবে তরল মাধ্যমে ব্যাপনের হার কঠিন মাধ্যম হতে বেশি। আবার একই মাধ্যমে যে পদার্থের আণবিক ভর বেশি সে পদার্থের কণাগুলির ব্যাপনের হার কম হবে।

নিচের পরীক্ষাগুলোর মাধ্যমে এ বিষয়ে আরও পরিষ্কার ধারণা নিতে পারবে।

একক কাজ

পরীক্ষা নং: ১

কক্ষ তাপমাত্রায় একটি কাচের পাত্রে কিছু বিশুদ্ধ পানি নাও। এ পানিতে সামান্য গোলাপি বর্ণের কঠিন পটাশিয়াম পারম্যাঙ্গানেট ($\mathrm{KMnO_4}$) ছেড়ে দাও। লক্ষ করো? কিছুক্ষণ পর দেখবে $\mathrm{KMnO_4}$ এর দানাগুলো দ্রবীভূত হয়ে গোলাপি দ্রবণে পরিণত হচ্ছে এবং পটাশিয়াম পারম্যাঙ্গানেটের কণাগুলো পানির মধ্যে এদিক-সেদিক ছড়িয়ে পড়ছে। ফলে কিছু সময় পর দেখা যাবে পুরো পাত্রেই গোলাপি রং ছড়িয়ে পড়েছে। এক্ষেত্রে পানিতে তথা তরল মাধ্যমে $\mathrm{KMnO_4}$ এর কণা ব্যাপিত হয়েছে। এ ব্যাপন সংঘটিত হতে কয়েক মিনিট থেকে প্রায় ঘণ্টা খানেক সময় লাগতে পারে। তবে এক্ষেত্রে তাপ প্রয়োগ করা হলে ব্যাপন হার বৃদ্ধি পায়।

যেমন-গরম পানিতে $\mathrm{KMnO_4}$ এর ব্যাপনের পরীক্ষাটি সম্পন্ন করা হলে দেখা যাবে ঠাণ্ডা পানির চেয়ে গরম পানিতে $\mathrm{KMnO_4}$ কণাগুলো দ্রুত ছড়িয়ে পড়ে সমগ্র পানিকে গোলাপি বর্ণে পরিণত করছে।

Figure: চিত্র ২.০২: পানিতে KMnO4 এর ব্যাপন

লেবেল: KMnO4 বর্ণনা: তিনটি কাচের নল পাশাপাশি দেখানো হয়েছে। প্রথম নলের তলায় KMnO4 দানা রাখা আছে; দ্বিতীয় ও তৃতীয় নলে পানি ক্রমশ গোলাপি বর্ণ ধারণ করেছে, তৃতীয়টি সবচেয়ে গাঢ়।

Printed page 22

একক কাজ

পরীক্ষা নং: ২

কক্ষ তাপমাত্রায় একটি বিকারে কিছু পরিমাণ বিশুদ্ধ পানি নিয়ে এতে সামান্য পরিমাণ তরল নীলের দ্রবণ যোগ করো। কিছুক্ষণের মধ্যে দেখবে বিকারের সমস্ত পানি নীল রং ধারণ করেছে। অর্থাৎ নীলের দ্রবণের কণাগুলো সমস্ত পানিতে ছড়িয়ে পড়েছে। এক্ষেত্রে পানিতে তরল পদার্থ (নীলের দ্রবণ) ব্যাপিত হয়েছে। কক্ষ তাপমাত্রায় কঠিন $\mathrm{KMnO_4}$-এর ব্যাপনের চেয়ে তরল নীলের দ্রবণের ব্যাপনের সময় অনেক কম লেগেছে। অর্থাৎ তরল মাধ্যমে কঠিন পদার্থের ব্যাপন হার-এর চেয়ে তরল মাধ্যমে তরল পদার্থের ব্যাপন হার বেশি। তাপের প্রভাবে এই ব্যাপন হার আরও বেশি হয়।

কঠিন এবং তরল পদার্থের ন্যায় গ্যাসীয় পদার্থ তরল মাধ্যমে ব্যাপিত হয়। তবে একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় তরল মাধ্যমে কঠিন এবং তরল পদার্থের চেয়ে গ্যাসীয় পদার্থের ব্যাপন হার বেশি।

Figure: চিত্র ২.০৩: তরল (পানি) মাধ্যমে তরল পদার্থ (নীলের দ্রবণ)

বর্ণনা: তিনটি বিকার পাশাপাশি দেখানো হয়েছে। প্রথম বিকারে পানির ওপর একটি পিপেট থেকে নীলের দ্রবণ ফোঁটা ফোঁটা পড়ছে; দ্বিতীয় বিকারে নীলের দ্রবণ পানির ভেতর ছড়িয়ে যাচ্ছে; তৃতীয় বিকারের সমস্ত পানি গাঢ় নীল বর্ণের।

একক কাজ

পরীক্ষা নং: ৩

দুটি গ্যাসের ব্যাপন হার

এই পরীক্ষার জন্য দুই মুখ খোলা একটি লম্বা কাচনল ও দুই খণ্ড তুলা নাও। এক খণ্ড তুলাকে ঘন হাইড্রোক্লোরিক এসিড (HCl) দ্রবণে ভিজাও এবং অপর খণ্ড তুলাকে অ্যামোনিয়াম হাইড্রোক্সাইড (NH$_4$OH) দ্রবণে ভিজাও। এবার ঐ লম্বা কাচনলটির এক মুখে

Printed page 23

হাইড্রোক্লোরিক এসিড দ্রবণে সিক্ত তুলা এবং অপর মুখে অ্যামোনিয়াম হাইড্রোক্সাইড দ্রবণে সিক্ত তুলা দিয়ে বন্ধ করো। এখানে হাইড্রোক্লোরিক এসিড দ্রবণ থেকে হাইড্রোজেন ক্লোরাইড গ্যাস এবং অ্যামোনিয়াম হাইড্রোক্সাইড দ্রবণ থেকে অ্যামোনিয়া ($\mathrm{NH_3}$) গ্যাস টিউবের ভিতরের বাতাসের মধ্য দিয়ে ব্যাপিত হবে। বাতাস একটি বায়বীয় বা গ্যাসীয় মাধ্যম।

কিছুক্ষণের মধ্যে দেখতে পাবে কাচনলের ভিতরে একটি নির্দিষ্ট স্থানে হাইড্রোজেন ক্লোরাইড গ্যাস ও অ্যামোনিয়া গ্যাস পরস্পরের সাথে বিক্রিয়া করে অ্যামোনিয়াম ক্লোরাইডের ($\mathrm{NH_4Cl}$) সাদা ধোঁয়ার সৃষ্টি করেছে। এ সাদা ধোঁয়া তৈরিতে এক মিনিটেরও কম সময় লাগে। সাদা ধোঁয়ার অবস্থান কাচনলের ঠিক মাঝামাঝি হবে না। এটি হাইড্রোক্লোরিক এসিড দ্রবণের কাছে এবং অ্যামোনিয়াম হাইড্রোক্সাইড দ্রবণ থেকে দূরে অবস্থান করবে। অর্থাৎ একই সময়ে হাইড্রোজেন ক্লোরাইড গ্যাস কম দূরত্ব এবং অ্যামোনিয়া গ্যাস বেশি দূরত্ব অতিক্রম করেছে। এ পরীক্ষা থেকে বোঝা যায় যে, অ্যামোনিয়া গ্যাস হাইড্রোজেন ক্লোরাইড গ্যাস থেকে দ্রুত ছড়িয়ে পড়ে বা বেশি দূরত্ব অতিক্রম করে অর্থাৎ অ্যামোনিয়া গ্যাসের ব্যাপন হার হাইড্রোজেন ক্লোরাইড গ্যাসের ব্যাপন হারের চেয়ে বেশি। এর কারণ মূলত এদের আণবিক ভর। যে গ্যাসের আণবিক ভর যত কম তার ব্যাপন হার তত বেশি। এখানে অ্যামোনিয়া গ্যাসের আণবিক ভর $(17)$ হাইড্রোজেন ক্লোরাইড গ্যাসের আণবিক ভর $(36.5)$ এর চেয়ে কম। তাই $\mathrm{NH_3}$ গ্যাস $\mathrm{HCl}$ গ্যাসের চেয়ে দ্রুত ব্যাপিত হয়েছে অর্থাৎ বেশি দূরত্ব অতিক্রম করেছে। $\mathrm{H_2}$, $\mathrm{He}$, $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$ এবং $\mathrm{CO_2}$ গ্যাসগুলোর আণবিক ভর যথাক্রমে $2, 4, 28, 32$ এবং $44$। এই গ্যাসগুলোর মধ্যে $\mathrm{H_2}$ এর আণবিক ভর সবচেয়ে কম।

Figure: চিত্র ২.০৪: দুটি গ্যাসের ব্যাপন

লেবেল: NH4Cl এর সাদা ধোঁয়া, HCl এসিড দ্রবণ দিয়ে ভেজানো তুলা, NH4OH দ্রবণ দিয়ে ভেজানো তুলা বর্ণনা: একটি লম্বা কাচনল অনুভূমিকভাবে দেখানো হয়েছে। বাম প্রান্তে HCl দ্রবণে ভেজানো তুলা এবং ডান প্রান্তে NH4OH দ্রবণে ভেজানো তুলা লাগানো আছে। নলের মাঝামাঝি বাম দিকের কিছুটা কাছে একটি ড্যাশ রেখা দ্বারা NH4Cl এর সাদা ধোঁয়ার অবস্থান নির্দেশ করা হয়েছে।

তাই $\mathrm{H_2}$ এর ব্যাপন হার সবচেয়ে বেশি হবে এবং $\mathrm{CO_2}$ এর আণবিক ভর সবচেয়ে বেশি, কাজেই $\mathrm{CO_2}$ এর ব্যাপন হার সবচেয়ে কম হবে। আমরা দেখলাম তরল মাধ্যম থেকে বায়বীয় মাধ্যমে পদার্থের ব্যাপনের হার বেশি যা ৫০ থেকে ১০০ গুণ পর্যন্ত হতে পারে।

Printed page 24