Chemistry chapter 8: Chemistry and Energy

অষ্টম অধ্যায়

রসায়ন ও শক্তি (Chemistry and Energy)

সপ্তম অধ্যায়ে আমরা দেখেছি বেশির ভাগ বিক্রিয়া সংঘটিত হওয়ার সময় তাপ নির্গত হয়। যেমন- কাঠ, কয়লা, প্রকৃতিক গ্যাস পুড়িয়ে আমরা রান্না করি, গাড়ি চালাই। অর্থাৎ এক্ষেত্রে তাপ নির্গত হয়। প্রশ্ন হলো, এই তাপের উৎস কোথায়। প্রত্যেকটি রাসায়নিক বস্তু এক ধরনের শক্তি ধারণ করে যা বিক্রিয়ার মাধ্যমে তাপশক্তিতে রূপান্তরিত হয়। পদার্থের এই অন্তর্নিহিত শক্তিকে রাসায়নিক শক্তি বলে। পদার্থের মধ্যে এ রাসায়নিক শক্তি কীভাবে থাকে? আবার কীভাবেই বা এ শক্তি আমাদের কাজে লাগে? টর্চের ব্যাটারি দ্বারা আমরা বিদ্যুৎ উৎপন্ন করে আলো জ্বালাই। খনিজ তেল পুড়িয়ে তা থেকে তাপশক্তি উৎপন্ন হয়। এ শক্তি থেকে বিদ্যুৎ উৎপন্ন হয়। এসব কীভাবে ঘটে? এ নিয়ে অবশ্যই তোমাদের মনে প্রশ্ন জাগে। বিভিন্ন দেশে পারমাণবিক শক্তি ব্যবহার করে বিদ্যুৎ উৎপাদন করা হচ্ছে। এ সবগুলোর সাথেই রসায়ন তথা রাসায়নিক বিক্রিয়া অথবা নিউক্লিয়ার বিক্রিয়া জড়িত। আবার, এ বিক্রিয়াগুলোর কিছু বিরূপ প্রভাব আছে পরিবেশ ও আমাদের শরীরের উপর। এ সমস্ত বিষয়ই এ অধ্যায়ের আলোচ্য বিষয়।

Printed page 169

এ অধ্যায় পাঠ শেষে আমরা

• রাসায়নিক বিক্রিয়ার সাথে শক্তি উৎপাদনের সম্পর্ক ব্যাখ্যা করতে পারব।
• শক্তি উৎপাদনে জ্বালানির বিশুদ্ধতার গুরুত্ব অনুধাবন, পরিবেশ সুরক্ষায় এগুলোর ব্যবহার সীমিত রাখতে ও উপযুক্ত জ্বালানি নির্বাচনে সচেতনতার পরিচয় দিতে পারব।
• নিরাপত্তার বিষয়টি বিবেচনায় রেখে রাসায়নিক বিক্রিয়া-সংশ্লিষ্ট সমস্যা চিহ্নিত করে তা অনুসন্ধানের পরিকল্পনা, বাস্তবায়ন এবং এর কার্যকারিতা মূল্যায়ন করতে পারব।
• রাসায়নিক বিক্রিয়ার সংঘটনে এবং শক্তি উৎপাদনে স্বতঃস্ফূর্তভাবে ও আত্মবিশ্বাসের সাথে দায়িত্বশীল সিদ্ধান্ত গ্রহণে সক্ষম হব।
• জারণ-বিজারণ বিক্রিয়ার ইলেকট্রনীয় মতবাদ ব্যবহার করে চলবিদ্যুতের ধারণা ব্যাখ্যা করতে পারব।
• রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে বিদ্যুৎ উৎপাদন প্রক্রিয়া ব্যাখ্যা করতে পারব।
• বিদ্যুৎ ব্যবহার করে বিক্রিয়া সংঘটন করতে পারব।
• বিভিন্ন পদার্থের তড়িৎ বিশ্লেষণে উৎপাদিত পদার্থ এবং এর বাণিজ্যিক ব্যবহার সম্পর্কে মতামত দিতে পারব।
• গ্যালভানিক কোষের তড়িৎদ্বার গঠন করতে পারব।
• তড়িৎ বিশ্লেষ্য কোষ ও গ্যালভানিক কোষের মধ্যে পার্থক্য ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তড়িৎ রাসায়নিক কোষের প্রয়োগ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তুলনামূলক বিশ্লেষণ করে পারমাণবিক বিদ্যুৎ উৎপাদন সম্পর্কে মতামত দিতে পারব।
• তাপহারী ও তাপ উৎপাদী বিক্রিয়ার পরীক্ষা করতে পারব।
• রাসায়নিক দ্রব্যের ক্ষতিকর দিকসমূহ সম্পর্কে সচেতনতা সৃষ্টি করতে পারব।
• বিশুদ্ধ জ্বালানি ব্যবহারে আগ্রহ সৃষ্টি করতে পারব।
• দ্রবণ ও রাসায়নিক বিক্রিয়ায় তাপের পরিবর্তন পরীক্ষার সাহায্যে দেখাতে পারব।

Printed page 170

৮.১ রাসায়নিক শক্তি (Chemical Energy)

৮.১.১ রাসায়নিক শক্তির উৎস

আমরা ইতোমধ্যে জেনেছি যে, পদার্থের মধ্যে অণু ও পরমাণু থাকে। একটি বস্তুতে এ অণু বা পরমাণুগুলো পরস্পরের সাথে যে শক্তির সাহায্যে যুক্ত থাকে তাদেরকে রাসায়নিক শক্তি বলে।

তোমরা এই অধ্যায়ে এসব রাসায়নিক শক্তি সম্পর্কে জানবে।

বন্ধন শক্তি (Bond Energy)

বস্তু বা যৌগে বন্ধনে আবদ্ধ একটি পরমাণুর সাথে আরেকটি পরমাণু যে আকর্ষণ শক্তির মাধ্যমে যুক্ত থাকে তাকে বন্ধন শক্তি বলে।

সোডিয়াম ক্লোরাইডে সোডিয়াম আয়ন ও ক্লোরাইড আয়নের মধ্যে আয়নিক বন্ধন বিদ্যমান। কার্বন ডাই-অক্সাইড অণুতে কার্বন ও অক্সিজেনের মধ্যে সমযোজী বন্ধন বিদ্যমান। আবার, একটি লোহার টুকরায় আয়রন পরমাণুসমূহের মধ্যে ধাতব বন্ধন বিদ্যমান। এসব বন্ধনে একটি পরমাণুর সাথে আরেকটি পরমাণু যে আকর্ষণ শক্তির মাধ্যমে যুক্ত থাকে তাকেই বন্ধন শক্তি বলে।

আন্তঃআণবিক শক্তি

সমযোজী যৌগের অণুসমূহ একে অপরের সাথে যে আকর্ষণ শক্তির মাধ্যমে যুক্ত থাকে তাকে আন্তঃআণবিক শক্তি (Intermolecular Energy) বলা হয়। যেমন- পানি একটি সমযোজী যৌগ। একটি পানির অণুর সাথে আশপাশের অন্যান্য পানির অণুসমূহ আন্তঃআণবিক আকর্ষণ শক্তির মাধ্যমে যুক্ত থাকে।

অন্যদিকে, সোডিয়াম ক্লোরাইডের আয়নিক যৌগে একটি সোডিয়াম আয়নের চারদিকে ৬টি ক্লোরাইড আয়ন অবস্থান করে। এখানে একটি সোডিয়াম ও ৬টি ক্লোরাইড আয়নের মধ্যে আকর্ষণ বিদ্যমান থাকে। আবার প্রত্যেকটি ক্লোরাইড আয়নের চারদিকে ৬টি সোডিয়াম আয়ন অবস্থান করে। এখানে প্রত্যেকটি ক্লোরাইড আয়ন ও ৬টি সোডিয়াম আয়নের মধ্যে আকর্ষণ বিদ্যমান থাকে।

আয়নিক যৌগে আয়নসমূহের মধ্যে যে আকর্ষণ শক্তি থাকে ঐ আকর্ষণ শক্তি সমযোজী যৌগের আন্তঃআণবিক শক্তির চেয়ে বেশি। এজন্য আয়নিক পদার্থের গলনাঙ্ক ও ফুটনাঙ্ক সমযোজী পদার্থের গলনাঙ্ক ও ফুটনাঙ্ক অপেক্ষা বেশি।

Printed page 171

এজন্য আয়নিক যৌগসমূহ সাধারণত কক্ষ তাপমাত্রায় কঠিন অবস্থায় থাকে আর সমযোজী যৌগসমূহ সাধারণত কক্ষ তাপমাত্রায় তরল বা বায়বীয় অবস্থায় থাকে। তবে অনেক সমযোজী যৌগ আছে যেগুলো কক্ষ তাপমাত্রায় কঠিন অবস্থায় থাকে। যেমন: ন্যাপথলিন।

একই মৌলের পরমাণু থেকে উৎপন্ন সমযোজী অণুসমূহের (যেমন– $\text{H}_2$) আন্তঃআণবিক শক্তির চেয়ে দুইটি ভিন্ন মৌলের পরমাণু দিয়ে গঠিত অণুর (যেমন $\text{HCl}$) আন্তঃআণবিক শক্তি বেশি হয়।

রাসায়নিক বিক্রিয়ায় শক্তির রূপান্তর

প্রত্যেক পদার্থের মধ্যে কিছু না কিছু শক্তি বিদ্যমান থাকে। সপ্তম অধ্যায়ে বিক্রিয়ায় আমরা দেখেছি কোনো কোনো রাসায়নিক বিক্রিয়ায় শক্তি নির্গত হয় আবার কোনো কোনো রাসায়নিক বিক্রিয়ায় শক্তি শোষিত হয়। অর্থাৎ রাসায়নিক বিক্রিয়ায় শক্তির রূপান্তর ঘটে। একটি বিক্রিয়ায় শক্তির রূপান্তর বিভিন্ন রূপে হতে পারে। যেমন– তাপশক্তি, আলোক শক্তি, বিদ্যুৎ শক্তি, শব্দ শক্তি ইত্যাদিতে রূপান্তরিত হতে পারে।

শক্তি পরিমাপের একক

পূর্বে শক্তি মাপার জন্য ক্যালরি (Calorie) বা কিলো ক্যালরি (kilo Calorie) একক ব্যবহার করা হতো। $1$ গ্রাম পানির তাপমাত্রা $1^\circ\text{C}$ বাড়াতে যে পরিমাণ তাপশক্তি প্রদান করতে হয় তাকে এক ক্যালরি (সংক্ষেপে $\text{Cal}$) বলে। $1$ হাজার ক্যালরিকে $1$ কিলো ক্যালরি বলে। কিলো ক্যালরিকে সংক্ষেপে $\text{kCal}$ দিয়ে প্রকাশ করা হয়।

বর্তমানে সকল ধরনের শক্তির একক হিসেবে জুল (Joule) কে আন্তর্জাতিকভাবে গ্রহণ করা হয়েছে। কোনো বস্তুর উপর $1$ নিউটন বল প্রয়োগ করলে যদি বলের দিকে $1$ মিটার সরণ ঘটে তবে তার জন্য প্রয়োজনীয় কাজকে $1$ জুল বলে। একে সংক্ষেপে $\text{J}$ দিয়ে প্রকাশ করা হয়। $1$ হাজার জুলকে $1$ কিলোজুল ($\text{kJ}$) বলে।

জুল ও ক্যালোরির সম্পর্ক হচ্ছে: $1 \text{ Cal} = 4.18 \text{ J}$

৮.১.২ তাপের পরিবর্তনের ভিত্তিতে রাসায়নিক বিক্রিয়ার শ্রেণিবিভাগ

কিছু কিছু বিক্রিয়া স্বতঃস্ফূর্তভাবে ঘটে আবার কিছু কিছু বিক্রিয়া শক্তি প্রয়োগ করে ঘটাতে হয়। যে সকল বিক্রিয়া স্বতঃস্ফূর্তভাবে ঘটে সেসব বিক্রিয়ায় বিক্রয়ক উৎপাদে পরিণত হবার সময়ে তাপ উৎপন্ন হয়। তাপের পরিবর্তনের ভিত্তিতে রাসায়নিক বিক্রিয়া দুই ধরনের- (i) তাপোৎপাদী বিক্রিয়া (ii) তাপহারী বিক্রিয়া। তাপোৎপাদী বিক্রিয়ার ক্ষেত্রে $\Delta H$ এর মান ঋণাত্মক (negative) এবং তাপহারী বিক্রিয়ার ক্ষেত্রে $\Delta H$ এর মান ধনাত্মক (positive) হয়।

Printed page 172

এখানে $H$ হলো heat content বা বস্তুর ধারণকৃত তাপ।

একটি পদার্থ একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় নির্দিষ্ট পরিমাণ শক্তি ধারণ করে। এই শক্তিকে অভ্যন্তরীণ শক্তিও (Internal Energy) বলে। একটি বিক্রিয়ায় বিক্রিয়কসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তিকে $H_1$ দ্বারা এবং উৎপাদসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তিকে $H_2$ দ্বারা চিহ্নিত করা হলে ঐ বিক্রিয়ার তাপ শক্তির পরিবর্তন-

$\Delta H = \text{উৎপাদসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি} (H_2) - \text{বিক্রিয়কসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি} (H_1)$

তাপোৎপাদী বিক্রিয়ার ক্ষেত্রে বিক্রিয়কসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি $H_1$ উৎপাদসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি $H_2$ থেকে বেশি। কাজেই এ বিক্রিয়াতে বিক্রিয়া তাপ বা শক্তির পরিবর্তন $\Delta H = H_2 - H_1$ এর মান ঋণাত্মক। এইসব বিক্রিয়ায় তাপ নির্গত হয়।

যেমন- কোনো বিক্রিয়ায় বিক্রিয়কসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি $50\ \text{kJ/mol}$ এবং উৎপাদসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি $20\ \text{kJ/mol}$ হলে $\Delta H = (20-50)\ \text{kJ/mol} = -30\ \text{kJ/mol}$ অর্থাৎ $30\ \text{kJ/mol}$ তাপ নির্গত হয়।

Figure: চিত্র ৮.০১: তাপ উৎপাদন ও তাপ শোষণ

লেবেল: তাপ উৎপাদন, তাপ শোষণ বর্ণনা: দুটি বিকার পাশাপাশি দেখানো হয়েছে। বাম দিকের বিকারে লাল রঙের তরল, এবং এর চারপাশে ও ওপরে তাপ নির্গমনের তরঙ্গ-রেখা আঁকা। ডান দিকের বিকারে নীল রঙের তরল, এবং এর পাশে ও ওপরে তাপ প্রবেশের তরঙ্গ-রেখা আঁকা।

আবার, তাপহারী বিক্রিয়ায় ক্ষেত্রে বিক্রিয়কসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি $H_1$ উৎপাদসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি $H_2$ থেকে কম। কাজেই এ বিক্রিয়াতে তাপ শক্তির পরিবর্তন $\Delta H = H_2 - H_1$ এর মান ধনাত্মক। এ ধরনের বিক্রিয়ায় শক্তি প্রয়োগ করা না হলে বিক্রিয়া ঘটে না।

যেমন: কোনো বিক্রিয়ায় বিক্রিয়কসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি $70\ \text{kJ/mol}$ এবং উৎপাদসমূহের মোট অভ্যন্তরীণ শক্তি $80\ \text{kJ/mol}$ হলে $\Delta H = (80-70)\ \text{kJ/mol} = +10\ \text{kJ/mol}$। অর্থাৎ এ ক্ষেত্রে কমপক্ষে $10\ \text{kJ}$ শক্তি প্রয়োগ করতে হবে। তা না হলে বিক্রিয়া ঘটবে না।

তাপোৎপাদী বিক্রিয়া (Exothermic Reactions)

যে বিক্রিয়ায় তাপ উৎপন্ন হয় তাকে তাপোৎপাদী বিক্রিয়া বলা হয়। তাপোৎপাদী বিক্রিয়ার সমীকরণ লেখার সময় বিক্রিয়ার ডানপাশে উৎপাদের সাথে $+$ চিহ্ন দিয়ে তাপ লেখা যেতে পারে কিংবা $\Delta H$ দিয়ে বিক্রিয়ায় উৎপাদিত তাপ প্রকাশ করা যেতে পারে, এক্ষেত্রে $\Delta H$ এর মান ঋণাত্মক হবে। তোমরা দেখেছ, কোনো কিছু রান্না করতে চুলাতে জ্বালানি হিসেবে যে গ্যাস ব্যবহার করি তা পোড়ালে তাপ উৎপন্ন হয়। আবার শুকনা চুন পানিতে যোগ করলে তা গরম হয়ে ওঠে। রান্নার গ্যাসের প্রধান উপাদান হলো মিথেন ($\text{CH}_4$)। এ গ্যাস পোড়ালে প্রতি $1$ মোল মিথেন গ্যাস বাতাসের অক্সিজেনের সাথে বিক্রিয়া করে কার্বন ডাই-অক্সাইড আর পানি উৎপন্ন হয়। সেই সাথে $890\ \text{kJ}$ তাপও উৎপন্ন হয়।

Printed page 173

$\text{CH}_4(\text{g}) + 2\text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow \text{CO}_2(\text{g}) + 2\text{H}_2\text{O}(\text{g}) + 890\ \text{kJ/mol}$

মিথেন অক্সিজেন কার্বন ডাই-অক্সাইড জলীয় বাষ্প

বা

$\text{CH}_4(\text{g}) + 2\text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow \text{CO}_2(\text{g}) + 2\text{H}_2\text{O}(\text{g}) \ ;\ \Delta H = -890\ \text{kJ/mol}$

মিথেন অক্সিজেন কার্বন ডাই-অক্সাইড জলীয় বাষ্প

আবার, শুকনা চুন হলো ক্যালসিয়াম অক্সাইড ($\text{CaO}$)। ক্যালসিয়াম অক্সাইডে পানি যোগ করলে ক্যালসিয়াম হাইড্রোক্সাইড $\text{Ca(OH)}_2$ উৎপন্ন হয়। সেই সাথে $63.95\ \text{kJ/mol}$ তাপ উৎপন্ন হয়। সেজন্যই এ মিশ্রণ গরম হয়ে ওঠে।

$\text{CaO(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} + 63.95\ \text{kJ/mol}$

ক্যালসিয়াম অক্সাইড পানি ক্যালসিয়াম হাইড্রোক্সাইড

বা

$\text{CaO(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} \ ;\ \Delta H = -63.95\ \text{kJ/mol}$

ক্যালসিয়াম অক্সাইড পানি ক্যালসিয়াম হাইড্রোক্সাইড

উপরের দুটি উদাহরণেই বিক্রিয়কের অভ্যন্তরীণ শক্তি উৎপাদের অভ্যন্তরীণ শক্তি থেকে বেশি। তাই বিক্রিয়ক যখন উৎপাদে পরিণত হয় তখন অতিরিক্ত শক্তিটুকু তাপশক্তি আকারে নির্গত হয়।