এই আর্টিকেলে আমরা মাধ্যমিক ভৌতবিজ্ঞান বিষয়ের একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ প্রশ্ন — “NaCl -এর জলীয় দ্রবণের তড়িৎবিশ্লেষণ করলে ক্যাথোডে Na ধাতু জমা না হয়ে H₂ গ্যাস ও অ্যানোডে ক্লোরিন গ্যাসের পরিবর্তে অক্সিজেন গ্যাস উৎপন্ন হয় কেন?” — নিয়ে আলোচনা করব। এই প্রশ্নটি মাধ্যমিক ভৌতবিজ্ঞানের অষ্টম অধ্যায় “পদার্থের ভৌত ও রাসায়নিক ধর্মসমূহ” -এর “তড়িৎপ্রবাহ ও রাসায়নিক বিক্রিয়া” অংশ থেকে নেওয়া হয়েছে। মাধ্যমিক পরীক্ষা এবং বিভিন্ন চাকরির পরীক্ষায় এই প্রশ্নটি প্রায়ই আসে, তাই এটি শিক্ষার্থীদের জন্য বিশেষভাবে গুরুত্বপূর্ণ।
NaCl -এর জলীয় দ্রবণের তড়িৎবিশ্লেষণ করলে ক্যাথোডে Na ধাতু জমা না হয়ে H₂ গ্যাস ও অ্যানোডে ক্লোরিন গ্যাসের পরিবর্তে অক্সিজেন গ্যাস উৎপন্ন হয় কেন?
জলে দ্রবীভূত অবস্থায় NaCl বিয়োজিত হয়ে Na⁺ ক্যাটায়ন ও Cl⁻ অ্যানায়ন উৎপন্ন করে। একই সঙ্গে সামান্য পরিমাণ জলের অণু বিয়োজিত হয়ে H⁺ ও OH⁻ আয়ন উৎপন্ন করে।
NaCl(aq) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq);
H₂O(l) ⇌ H⁺(aq) + OH⁻(aq)
Pt তড়িৎদ্বারের সাহায্যে দ্রবণে তড়িৎ চালনা করলে Na⁺ ও H⁺ আয়ন উভয়ই ক্যাথোডে আকৃষ্ট হয়। Na⁺ আয়ন, H⁺ আয়ন অপেক্ষা অধিক তড়িৎ-ধনাত্মকধর্মী। তাই Na⁺ আয়ন অপেক্ষা H⁺ আয়নের ক্যাথোডে মুক্ত হওয়ার প্রবণতা বেশি হওয়ায় H⁺ আয়ন ইলেকট্রন গ্রহণ করে নিস্তড়িৎ H পরমাণু ও পরে দুটি H পরমাণু পরস্পর যুক্ত হয়ে হাইড্রোজেন অণুতে পরিণত হয়। অর্থাৎ ক্যাথোডে H₂ গ্যাস উৎপন্ন হয়।
অন্যদিকে OH⁻ ও Cl⁻ আয়ন উভয়ই অ্যানোডে আকর্ষিত হয়। কিন্তু তড়িৎ-রাসায়নিক শ্রেণিতে OH⁻ আয়ন, Cl⁻ আয়ন অপেক্ষা নীচে অবস্থিত হওয়ায় OH⁻ আয়নের ইলেকট্রন বর্জনের প্রবণতা Cl⁻ আয়ন অপেক্ষা বেশি হয়। ফলে OH⁻ আয়ন অ্যানোডে গিয়ে প্রয়োজনীয় ইলেকট্রন বর্জন করে OH মূলকে পরিণত হয়। OH মূলকগুলি পরস্পর যুক্ত হয়ে H₂O ও O₂-তে পরিণত হয়।
ক্যাথোড বিক্রিয়া – H⁺ + e⁻ → H; H + H → H₂↑
অ্যানোড বিক্রিয়া – OH⁻ – e⁻ → OH; 4OH → 2H₂O + O₂↑
তাই NaCl -এর জলীয় দ্রবণের তড়িৎবিশ্লেষণ করলে ক্যাথোডে Na ধাতু জমা না হয়ে H₂ গ্যাস ও অ্যানোডে ক্লোরিনের পরিবর্তে O₂ গ্যাস উৎপন্ন হয়।
কিছু গুরুত্বপূর্ণ প্রশ্নোত্তর
তড়িৎবিশ্লেষণের সময় ক্যাথোডে সোডিয়াম ধাতু (Na) জমা না হয়ে হাইড্রোজেন গ্যাস (H₂) বের হয় কেন?
দ্রবণে Na⁺ এবং H⁺ আয়ন উভয়ই উপস্থিত থাকে। যদিও সোডিয়াম ধাতু হাইড্রোজেনের চেয়ে বেশি তড়িৎ-ধনাত্মক, দ্রবণে H⁺ আয়নের মুক্ত হওয়ার প্রবণতা (Discharge Potential) Na⁺ আয়নের চেয়ে বেশি। এর কারণ হল, জলের অণু দ্বারা H⁺ আয়ন স্থায়িত্ব লাভ করে (হাইড্রোনিয়াম আয়ন, H₃O⁺ হিসেবে থাকে), যা Na⁺ আয়নের তুলনায় এটিকে সহজে ইলেকট্রন গ্রহণ করতে দেয়। ফলে, ক্যাথোডে H⁺ আয়ন প্রাধান্য পেয়ে হাইড্রোজেন গ্যাস নির্গত করে।
অ্যানোডে ক্লোরিন গ্যাস (Cl₂) এর পরিবর্তে অক্সিজেন গ্যাস (O₂) উৎপন্ন হওয়ার শর্ত কী?
অ্যানোডে Cl⁻ না OH⁻ আয়ন মুক্ত হবে, তা নির্ভর করে দ্রবণের ঘনত্ব এবং ব্যবহৃত ইলেকট্রোডের প্রকৃতির উপর।
1. সান্দ্র সোডিয়াম ক্লোরাইড দ্রবণ (Conc. NaCl) – উচ্চ Cl⁻ আয়নের ঘনত্বে, Cl⁻ আয়ন OH⁻ আয়নের চেয়ে অগ্রাধিকার সহকারে মুক্ত হয় এবং ক্লোরিন গ্যাস উৎপন্ন করে।
2. জলীয় সোডিয়াম ক্লোরাইড দ্রবণ (Dil. NaCl) – যখন দ্রবণে Cl⁻ আয়নের ঘনত্ব কম থাকে (যেমন – সাধারণ লবণের পানি), OH⁻ আয়নের মুক্ত হওয়ার প্রবণতা বেশি হয়, ফলে অক্সিজেন গ্যাস উৎপন্ন হয়।
3. ইনার্ট ইলেকট্রোড (Pt/Graphite) – এখানে Pt (প্লাটিনাম) ইলেকট্রোড ব্যবহার করা হয়েছে যা নিষ্ক্রিয়। তবে যদি পারদ ক্যাথোড (Mercury Cathode) ব্যবহার করা হয়, তাহলে ভিন্ন বিক্রিয়া ঘটে এবং সোডিয়াম অ্যামালগাম তৈরি হয়।
অ্যানোড বিক্রিয়ায় OH⁻ আয়ন মুক্ত হয়ে কীভাবে অক্সিজেন গ্যাস তৈরি করে?
OH⁻ আয়ন অ্যানোডে ইলেকট্রন ত্যাগ করে অস্থায়ী OH মূলক (র্যাডিকাল) তৈরি করে। OH⁻ → OH + e⁻
এই OH মূলকগুলি অত্যন্ত অস্থিতিশীল এবং দ্রুত একত্রিত হয়ে জল ও অক্সিজেন গ্যাস উৎপন্ন করে – 4OH → 2H₂O + O₂↑
অতএব, সামগ্রিক অ্যানোড বিক্রিয়াটি হলো – 4OH⁻ → 2H₂O + O₂ + 4e
শুষ্ক বা গলিত NaCl-এর তড়িৎবিশ্লেষণে কী হয়?
শুষ্ক বা গলিত NaCl -এ শুধুমাত্র Na⁺ এবং Cl⁻ আয়ন উপস্থিত থাকে, H⁺ বা OH⁻ আয়ন থাকে না। তাই –
1. ক্যাথোডে – Na⁺ আয়ন ইলেকট্রন গ্রহণ করে সোডিয়াম ধাতু (Na) জমা হয়।
2. অ্যানোডে – Cl⁻ আয়ন ইলেকট্রন ত্যাগ করে ক্লোরিন গ্যাস (Cl₂) নির্গত করে।
এটি শিল্পে সোডিয়াম ধাতু প্রস্তুতির একটি গুরুত্বপূর্ণ পদ্ধতি।
তড়িৎ-রাসায়নিক শ্রেণি (Electrochemical Series) কী ভূমিকা পালন করে?
তড়িৎ-রাসায়নিক শ্রেণি কোন আয়ন আগে মুক্ত হবে বা জারিত/বিজারিত হবে।
1. ক্যাথোডে (বিজারণ) – শ্রেণিতে যেসব আয়ন নিচে থাকে (যেমন – Cu²⁺, H⁺), তাদের মুক্ত হওয়ার প্রবণতা বেশি। Na⁺ আয়ন H⁺ আয়নের চেয়ে অনেক উপরে অবস্থান করায় H⁺ আয়ন আগে মুক্ত হয়।
2. অ্যানোডে (জারণ) – শ্রেণিতে অ্যানায়নগুলির মধ্যে যারা উপরে থাকে (যেমন – OH⁻, I⁻, Br⁻), তাদের মুক্ত হওয়ার প্রবণতা বেশি। OH⁻ আয়ন Cl⁻ আয়নের চেয়ে উপরে অবস্থান করায় (তথাকথিত “Discharge Potential” এর ক্রম অনুসারে), লবণের ঘন দ্রবণ ছাড়া সাধারণত OH⁻ -ই অগ্রাধিকার পায়।
এই আর্টিকেলে আমরা মাধ্যমিক ভৌতবিজ্ঞান বিষয়ের একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ প্রশ্ন — “NaCl -এর জলীয় দ্রবণের তড়িৎবিশ্লেষণ করলে ক্যাথোডে Na ধাতু জমা না হয়ে H₂ গ্যাস ও অ্যানোডে ক্লোরিন গ্যাসের পরিবর্তে অক্সিজেন গ্যাস উৎপন্ন হয় কেন?” — নিয়ে আলোচনা করেছি। এই প্রশ্নটি মাধ্যমিক ভৌতবিজ্ঞানের অষ্টম অধ্যায় “পদার্থের ভৌত ও রাসায়নিক ধর্মসমূহ” -এর “তড়িৎপ্রবাহ ও রাসায়নিক বিক্রিয়া” অংশ থেকে নেওয়া হয়েছে। মাধ্যমিক পরীক্ষা এবং বিভিন্ন চাকরির পরীক্ষায় এই প্রশ্নটি প্রায়ই আসে, তাই এটি শিক্ষার্থীদের জন্য বিশেষভাবে গুরুত্বপূর্ণ। আশা করি এই আর্টিকেলটি আপনাদের জন্য উপকারী হয়েছে। আপনাদের কোনো প্রশ্ন বা অসুবিধা থাকলে, আমাদের সাথে টেলিগ্রামে যোগাযোগ করতে পারেন, আমরা উত্তর দেওয়ার চেষ্টা করব। তাছাড়া, নিচে আমাদের এই পোস্টটি আপনার প্রিয়জনের সাথে শেয়ার করুন, যাদের এটি প্রয়োজন হতে পারে। ধন্যবাদ।
মন্তব্য করুন