সাম্যাবস্থা

ভৌত সাম্যাবস্থা হলো এমন একটি রূপান্তর প্রক্রিয়া যেখানে পদার্থের রাসায়নিক গঠনে কোনো পরিবর্তন না ঘটে কেবল ভৌত দশার পরিবর্তন হয়। একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় আবদ্ধ পাত্রে এই রূপান্তর গতিশীল সাম্যাবস্থায় উপনীত হয়:

• কঠিন-তরল সাম্যাবস্থা (গলন ও কঠিনীভবন): $$\text{H}_2\text{O}(s) \rightleftharpoons \text{H}_2\text{O}(l) \quad (০^\circ\text{C}, ১ \text{ atm})$$ নির্দিষ্ট গলনাঙ্কে বরফ গলার হার এবং জল জমে বরফ হওয়ার হার সমান থাকে। ফলে বরফ ও জলের পরিমাণ স্থির থাকে।
• তরল-বাষ্প সাম্যাবস্থা (বাষ্পীভবন ও ঘনীভবন): $$\text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{H}_2\text{O}(g) \quad (\text{স্থির } T)$$ আবদ্ধ পাত্রে তরলের বাষ্পায়নের বেগ এবং বাষ্পের ঘনীভবনের বেগ সমান হলে বাষ্পের চাপ স্থির মানে পৌঁছায়, যাকে সাম্য বাষ্পচাপ বলে। স্বাভাবিক স্ফুটনাঙ্কে ($১০০^\circ\text{C}$) বাষ্পচাপ বায়ুমণ্ডলীয় চাপের ($১.০১৩ \text{ bar}$) সমান হয়।
• কঠিন-বাষ্প সাম্যাবস্থা (ঊর্ধ্বপাতন): $$\text{I}_2(s) \rightleftharpoons \text{I}_2(g), \quad \text{Camphor}(s) \rightleftharpoons \text{Camphor}(g)$$ আবদ্ধ পাত্রে কঠিন আয়োডিন ঊর্ধ্বপাতিত হয়ে বেগুনি বাষ্প তৈরি করে এবং ঘনীভূত হয়; সাম্যাবস্থায় বেগুনি বর্ণের তীব্রতা স্থির হয়ে যায়।
• তরলে কঠিনের দ্রবীভবন: $$\text{দ্রাব}(s) \rightleftharpoons \text{দ্রাব}(\text{দ্রবণে দ্রবীভূত})$$ সম্পৃক্ত দ্রবণে দ্রবীভবনের বেগ এবং দ্রবণ থেকে কঠিনের কেলাসন বেগ সমান থাকে।
• তরলে গ্যাসের দ্রবীভবন (হেনরির সূত্র):

  ১৮০৩ সালে উইলিয়াম হেনরি আবিষ্কার করেন যে স্থির তাপমাত্রায় কোনো তরলে নির্দিষ্ট আয়তনে দ্রবীভূত গ্যাসের ভর তরলের ওপর উপস্থিত গ্যাসের আংশিক চাপের সমানুপাতিক:

  $$p = K_H \cdot x$$

  যেখানে $p$ হলো গ্যাসের আংশিক চাপ, $x$ হলো দ্রবণে গ্যাসের মোল ভগ্নাংশ এবং $K_H$ হলো হেনরি ধ্রুবক। তাপমাত্রা বাড়লে $K_H$ বাড়ে এবং গ্যাসের দ্রাব্যতা হ্রাস পায়।

1. সাম্যাবস্থা কেবলমাত্র একটি আবদ্ধ পাত্রে (Closed System) প্রতিষ্ঠিত হতে পারে।
2. সাম্যাবস্থা সর্বদা গতিশীল (Dynamic): আণবিক স্তরে সম্মুখ ও বিপরীত উভয় প্রক্রিয়াই সমবেগে চলতে থাকে ($r_f = r_b \ne 0$)।
3. সাম্যাবস্থায় সমস্ত স্থূল বা পরিমাপযোগ্য ধর্ম (গাঢ়ত্ব, মোট চাপ, বর্ণের তীব্রতা, তাপমাত্রা) অপরিবর্তিত থাকে।
4. উভমুখী প্রক্রিয়া যেকোনো দিক থেকেই (কেবলমাত্র বিক্রিয়ক অথবা কেবলমাত্র বিক্রিয়াজাত নিয়ে) শুরু করা হোক না কেন, একই সাম্যাবস্থা প্রতিষ্ঠিত হয়।
5. সাম্যাবস্থায় গিবস মুক্ত শক্তি সর্বনিম্ন মানে পৌঁছায় ($\Delta G = 0$)।

যে রাসায়নিক বিক্রিয়া একই সাথে সম্মুখ ও বিপরীত উভয় দিকে অগ্রসর হতে পারে তাকে উভমুখী বিক্রিয়া বলে (চিহ্ন $\rightleftharpoons$)। ১৮৬৪ সালে নরওয়েজীয় রসায়নবিদ ক্যাটো ম্যাক্সিমিলিয়ান গুল্ডবার্গ এবং পিটার ওয়াগে বিখ্যাত ভরক্রিয়া সূত্র (Law of Mass Action) প্রণয়ন করেন:

একটি সাধারণ উভমুখী বিক্রিয়া বিবেচনা করা যাক:

ভরক্রিয়া সূত্রানুযায়ী:

যেখানে $k_f$ ও $k_b$ হলো সম্মুখ ও বিপরীত বিক্রিয়ার বেগ ধ্রুবক। সাম্যাবস্থায় উভয় বেগ সমান ($r_f = r_b$):

এখানে $K_c$-কে মোলার গাঢ়ত্ব ভিত্তিক সাম্য ধ্রুবক বলা হয়।

গ্যাসীয় বিক্রিয়ায় গাঢ়ত্বের পরিবর্তে উপাদান গ্যাসগুলির আংশিক চাপ ব্যবহার করে সাম্য ধ্রুবক প্রকাশ করা অধিকতর সুবিধাজনক:

আদর্শ গ্যাস সমীকরণ অনুযায়ী $P_i V = n_i RT \implies p_i = \frac{n_i}{V} RT = [i] RT$। সুতরাং আংশিক চাপ রাশিতে প্রতিস্থাপন করে পাই:

যেখানে $\Delta n_g = (c + d) - (a + b) = \sum n_{\text{গ্যাসীয় বিক্রিয়াজাত}} - \sum n_{\text{গ্যাসীয় বিক্রিয়ক}}$।

তিনটি গুরুত্বপূর্ণ পরিস্থিতি:

• ক্ষেত্র ১: $\Delta n_g = 0$
  উদাহরণ: $\text{H}_2(g) + \text{I}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{HI}(g)$।
  এখানে $(RT)^0 = ১ \implies K_p = K_c$। $K_p$ ও $K_c$ এককহীন ধ্রুবক।
• ক্ষেত্র ২: $\Delta n_g > 0$
  উদাহরণ: $\text{PCl}_5(g) \rightleftharpoons \text{PCl}_3(g) + \text{Cl}_2(g)$ ($\Delta n_g = ২ - ১ = +১$)।
  এখানে $K_p = K_c (RT)$। $K_p$-এর একক বায়ুমণ্ডল (atm) বা বার (bar)।
• ক্ষেত্র ৩: $\Delta n_g < 0$
  উদাহরণ: $\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)$ ($\Delta n_g = ২ - ৪ = -২$)।
  এখানে $K_p = K_c (RT)^{-2}$। $K_p$-এর একক $\text{atm}^{-2}$ বা $\text{bar}^{-2}$।

যে সাম্যাবস্থায় সমস্ত বিক্রিয়ক ও বিক্রিয়াজাত একই ভৌত দশায় থাকে তাকে সমসত্ত্ব সাম্যাবস্থা বলে। পক্ষান্তরে বিভিন্ন উপাদান একাধিক ভিন্ন দশায় অবস্থান করলে তাকে অসমসত্ত্ব সাম্যাবস্থা বলে।

• $\text{CaCO}_3(s) \rightleftharpoons \text{CaO}(s) + \text{CO}_2(g) \implies K_c = [\text{CO}_2], \quad K_p = p_{\text{CO}_2}$
• $\text{NH}_4\text{HS}(s) \rightleftharpoons \text{NH}_3(g) + \text{H}_2\text{S}(g) \implies K_p = (p_{\text{NH}_3})(p_{\text{H}_2\text{S}})$

সাম্যাবস্থা ব্যতীত বিক্রিয়ার যেকোনো মুহূর্তে বিক্রিয়াজাত ও বিক্রিয়কের মোলার গাঢ়ত্বের অনুপাতকে বিক্রিয়া কোশেন্ট ($Q$) বলে:

তাপগতিবিদ্যার সম্পর্ক অনুসারে:

সাম্যাবস্থায় $\Delta_r G = 0$ এবং $Q = K$ হওয়ায়:

• $\Delta_r G^\circ < 0 \implies K > 1$: সাম্যাবস্থা বিক্রিয়াজাত পদার্থের দিকে অবস্থান করে (বিক্রিয়া প্রায় সম্পূর্ণ হয়)।
• $\Delta_r G^\circ > 0 \implies K < 1$: সাম্যাবস্থা বিক্রিয়কের দিকে ঝুঁকে থাকে (বিক্রিয়া খুব সামান্য ঘটে)।

১৮৮৪ সালে ফরাসি রসায়নবিদ অঁরি লুই লা শাতেলিয়ার এই সার্বজনীন নীতিটি প্রণয়ন করেন:

1. গাঢ়ত্বের প্রভাব:
   • বিক্রিয়কের গাঢ়ত্ব বৃদ্ধি করলে $Q_c < K_c$ হয়, ফলে সাম্য সম্মুখ অভিমুখে স্থানান্তরিত হয়।
   • বিক্রিয়াজাত দ্রব্যের গাঢ়ত্ব বাড়ালে সাম্য পশ্চাৎ অভিমুখে সরে যায়। উৎপন্ন পদার্থকে অনবরত সরিয়ে নিলে বিক্রিয়া অবিরত সম্মুখমুখী থাকে।
2. চাপ ও আয়তনের প্রভাব:
   • চাপের প্রভাব কেবল গ্যাসীয় সাম্যাবস্থায় এবং যেখানে $\Delta n_g \ne 0$ সেখানে কার্যকর হয়।
   • চাপ বৃদ্ধি করলে সংস্থাটি কম চাপ সৃষ্টির উদ্দেশ্যে সেই দিকে সরে যাবে যেদিকে গ্যাসীয় অণুর সংখ্যা কম।
   • চাপ হ্রাস করলে সাম্য সেই দিকে সরবে যেদিকে গ্যাসীয় অণুর সংখ্যা বেশি।
   • যদি $\Delta n_g = 0$ হয় (যেমন $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$), তবে চাপের পরিবর্তনে সাম্যের অবস্থানের কোনো পরিবর্তন ঘটে না।
3. তাপমাত্রার প্রভাব (ভ্যানট হফ সমীকরণ):
   • গাঢ়ত্ব ও চাপের পরিবর্তনে সাম্য ধ্রুবক $K$-এর মান বদলায় না, কেবল সাম্যের অবস্থান সরে যায়। কিন্তু তাপমাত্রা পরিবর্তন করলে সাম্য ধ্রুবক $K$-এর মান সরাসরি পরিবর্তিত হয়!
   • তাপমোচী বিক্রিয়া ($\Delta H < 0$): তাপমাত্রা বৃদ্ধি করলে সাম্য ধ্রুবক $K$ হ্রাস পায় এবং বিক্রিয়া পশ্চাৎমুখী হয়। তাপমাত্রা হ্রাস করলে সাম্য সম্মুখমুখী হয়।
   • তাপগ্রাহী বিক্রিয়া ($\Delta H > 0$): তাপমাত্রা বৃদ্ধি করলে সাম্য ধ্রুবক $K$ বৃদ্ধি পায় এবং বিক্রিয়া সম্মুখমুখী হয়।
   • ভ্যানট হফ সমীকরণ:
     $$\log_{10}\left(\frac{K_2}{K_1}\right) = \frac{\Delta H^\circ}{২.৩০৩ R}\left(\frac{T_2 - T_1}{T_1 T_2}\right)$$
4. নিষ্ক্রিয় গ্যাস সংযোজনের প্রভাব:
   • স্থির আয়তনে: নিষ্ক্রিয় গ্যাস যোগ করলে মোট চাপ বাড়ে কিন্তু উপাদান গ্যাসগুলির আংশিক চাপ ও মোলার গাঢ়ত্ব অপরিবর্তিত থাকে। ফলে সাম্যাবস্থার কোনো পরিবর্তন হয় না।
   • স্থির চাপে: চাপ স্থির রাখতে আয়তন প্রসারিত করতে হয়, ফলে আংশিক চাপ হ্রাস পায়। সাম্যাবস্থা সেই দিকে স্থানান্তরিত হয় যেদিকে গ্যাসীয় মোল সংখ্যা বেশি (বিয়োজন বৃদ্ধি পায়)।
5. অনুঘটকের প্রভাব:

   অনুঘটক সম্মুখ ও বিপরীত উভয় বিক্রিয়ার সক্রিয়করণ শক্তি সমপরিমাণ হ্রাস করে বেগ ধ্রুবক $k_f$ ও $k_b$-কে সমান অনুপাতে বাড়িয়ে দেয়। ফলে সাম্য ধ্রুবক $K$ অপরিবর্তিত থাকে এবং সাম্যের কোনো স্থানান্তর ঘটে না। অনুঘটক কেবল দ্রুত সাম্যাবস্থা অর্জনে সাহায্য করে।

কেবলমাত্র একটিমাত্র প্রোটনের ($ ext{H}^+$) পার্থক্যে সম্পর্কিত দুটি পদার্থকে পরস্পর অনুবন্ধী অ্যাসিড-ক্ষারক যুগল (Conjugate Acid-Base Pair) বলে:

শক্তি সম্পর্ক: অ্যাসিড যত তীব্র হয়, তার অনুবন্ধী ক্ষারক তত দুর্বল হয়। যেমন তীব্র অ্যাসিড $\text{HCl}$-এর অনুবন্ধী ক্ষারক $\text{Cl}^-$ অতি দুর্বল (নিষ্ক্রিয়)। বিপরীতভাবে অতি মৃদু অ্যাসিড $\text{HCN}$-এর অনুবন্ধী ক্ষারক $\text{CN}^-$ তীব্র ব্রনস্টেড ক্ষারক।

উভধর্মী পদার্থ: জল ব্রনস্টেড অ্যাসিড ও ক্ষারক উভয় রূপেই আচরণ করতে পারে:

বিশুদ্ধ জল অতি সামান্য পরিমাণে স্বতঃ-আয়নিত হয়:

জলের ঘনত্বের পরিবর্তন নগণ্য হওয়ায় ধ্রুবকগুলিকে সংযুক্ত করে জলের আয়নীয় গুণফল ($K_w$) সংজ্ঞায়িত করা হয়:

বিশুদ্ধ জলে $২৫^\circ\text{C}$-এ: $[\text{H}^+] = [\text{OH}^-] = \sqrt{K_w} = ১.০ \times ১০^{-৭} \text{ M}$।

তাপমাত্রার প্রভাব: জলের বিয়োজন একটি তাপগ্রাহী প্রক্রিয়া হওয়ায় তাপমাত্রা বাড়লে $K_w$ বৃদ্ধি পায় (যেমন $৬০^\circ\text{C}$-এ $K_w \approx ১.০ \times ১০^{-১৩}$, তখন প্রমশ দ্রবণটির নিরপেক্ষ $\text{pH} = ৬.৫$)।

১৯০৯ সালে ডেনিশ বিজ্ঞানী সোরেনসেন দ্রবণীয়তার হাইড্রোজেন আয়নের অতি ক্ষুদ্র গাঢ়ত্ব প্রকাশের জন্য ঋণাত্মক লগারিদমীয় $\text{pH}$ স্কেল প্রবর্তন করেন:

• আম্লিক দ্রবণ: $[\text{H}^+] > ১০^{-৭} \text{ M} \implies \text{pH} < ৭$
• প্রশম দ্রবণ: $[\text{H}^+] = [\text{OH}^-] = ১০^{-৭} \text{ M} \implies \text{pH} = ৭$
• ক্ষারকীয় দ্রবণ: $[\text{H}^+] < ১০^{-৭} \text{ M} \implies \text{pH} > ৭$

$C \text{ mol/L}$ গাঢ়ত্বের একটি মৃদু এক-ক্ষারকীয় অ্যাসিড $\text{HA}$-এর বিয়োজন মাত্রা $\alpha$ হলে ($lpha \ll 1$):

মৃদু অ্যাসিডের ক্ষেত্রে $\alpha < ০.০৫$ ($৫\%$-এর কম) হওয়ায় $1 - \alpha \approx 1$ ধরা যায়। সুতরাং অস্টওয়াল্ডের লঘুকরণ সূত্র অনুযায়ী:

একটি মৃদু তড়িৎ-বিশ্লেষ্যের দ্রবণে একই আয়ন প্রদানকারী কোনো তীব্র তড়িৎ-বিশ্লেষ্য যোগ করলে মৃদু তড়িৎ-বিশ্লেষ্যের বিয়োজন মাত্রা ব্যাপকভাবে হ্রাস পায়। একে সম-আয়ন প্রভাব বলে।

• মৃদু অ্যাসিড অ্যাসিটিক অ্যাসিডে তীব্র তড়িৎ-বিশ্লেষ্য সোডিয়াম অ্যাসিটেট ($ ext{CH}_3 ext{COONa}$) যোগ করলে অতিরিক্ত $ ext{CH}_3 ext{COO}^-$ আয়নের উপস্থিতিতে অ্যাসিটিক অ্যাসিডের বিয়োজন বামে সরে যায় এবং দ্রবণে $[ ext{H}^+]$ হ্রাস পায় ($ ext{pH}$ বৃদ্ধি পায়)।
• মৃদু ক্ষারক $ ext{NH}_4 ext{OH}$-এর দ্রবণে $ ext{NH}_4 ext{Cl}$ যোগ করলে সম-আয়ন $ ext{NH}_4^+$-এর কারণে $[ ext{OH}^-]$ ব্যাপকভাবে কমে যায়। এই মূলনীতি গুণগত বিশ্লেষণে গ্রুপ III ক্যাটায়ন পৃথকীকরণে ব্যবহৃত হয়।

লবণের ক্যাটায়ন, অ্যানায়ন বা উভয় আয়ন জলের অণুর সাথে বিক্রিয়া করে দ্রবণে অতিরিক্ত $ ext{H}^+$ বা $ ext{OH}^-$ আয়ন উৎপন্ন করার প্রক্রিয়াকে লবণের আর্দ্রবিশ্লেষণ বলে।

যে দ্রবণে সামান্য পরিমাণ তীব্র অ্যাসিড বা তীব্র ক্ষার যোগ করলে অথবা জল দিয়ে লঘু করলেও দ্রবণের $ ext{pH}$ মান প্রায় অপরিবর্তিত থাকে, তাকে বাফার দ্রবণ বলে।

1. অম্লীয় বাফার: মৃদু অ্যাসিড ও উক্ত অ্যাসিডের তীব্র ক্ষারকের সাথে গঠিত লবণের মিশ্রণ (যেমন: $ ext{CH}_3 ext{COOH} + ext{CH}_3 ext{COONa}$)। এর কার্যকারিতা $ ext{pH} < ৭$ অঞ্চলে।
2. ক্ষারকীয় বাফার: মৃদু ক্ষারক ও উক্ত ক্ষারকের তীব্র অ্যাসিডের সাথে গঠিত লবণের মিশ্রণ (যেমন: $ ext{NH}_4 ext{OH} + ext{NH}_4 ext{Cl}$)। এর কার্যকারিতা $ ext{pH} > ৭$ অঞ্চলে।

বাফার ক্ষমতা ও বাফার পরিসর:

• যখন $[ ext{লবণ}] = [ ext{অ্যাসিড}]$ হয়, তখন বাফার ক্ষমতা সর্বাধিক হয় এবং $ ext{pH} = ext{pK}_a$ হয়।
• কার্যকরী বাফার পরিসর হলো: $ ext{pH} = ext{pK}_a \pm ১$।

একটি স্বল্প দ্রাব্য লবণের সম্পৃক্ত দ্রবণে অবিশ্লিষ্ট কঠিন লবণ এবং দ্রবীভূত আয়নসমূহের মধ্যে একটি গতিশীল সাম্যাবস্থা বজায় থাকে:

বিশুদ্ধ কঠিনের সক্রিয় ভর ১ ধরে ভরক্রিয়া সূত্র প্রয়োগ করলে দ্রাব্যতা গুণফল ($K_{sp}$) পাওয়া যায়:

লবণের মোলার দ্রাব্যতা $S \text{ mol/L}$ হলে: $[A^{y+}] = xS$ এবং $[B^{x-}] = yS$:

বিভিন্ন প্রকার লবণের সূত্রাবলি:

1. গ্রুপ I ($ ext{Ag}^+, ext{Pb}^{2+}$): লঘু $ ext{HCl}$ যোগ করে অদ্রাব্য ক্লোরাইড হিসেবে অধঃক্ষিপ্ত করা হয় ($K_{sp}$ মান খুব কম)।
2. গ্রুপ II ($ ext{Cu}^{2+}, ext{Pb}^{2+}, ext{Bi}^{3+}, ext{Cd}^{2+}$): লঘু $ ext{HCl}$-এর উপস্থিতিতে $ ext{H}_2 ext{S}$ গ্যাস চালনা করে সালফাইড হিসেবে অধঃক্ষিপ্ত করা হয়।
   মূলনীতি: তীব্র অ্যাসিড $ ext{HCl}$ থেকে প্রাপ্ত $ ext{H}^+$ আয়ন সম-আয়ন প্রভাবের মাধ্যমে দুর্বল অ্যাসিড $ ext{H}_2 ext{S}$-এর বিয়োজন কমিয়ে দেয়। ফলে দ্রবণে $[ ext{S}^{2-}]$ খুব কম থাকে, যা কেবল গ্রুপ II সালফাইডগুলির অতি ক্ষুদ্র $K_{sp}$ ($১০^{-৩০}$ থেকে $১০^{-৪৪}$) অতিক্রম করতে পারে, কিন্তু গ্রুপ IV সালফাইড অধঃক্ষিপ্ত হতে পারে না।
3. গ্রুপ III ($ ext{Fe}^{3+}, ext{Al}^{3+}, ext{Cr}^{3+}$): অতিরিক্ত $ ext{NH}_4 ext{Cl}$-এর উপস্থিতিতে $ ext{NH}_4 ext{OH}$ যোগ করে হাইড্রোক্সাইড হিসেবে অধঃক্ষিপ্ত করা হয়।
   মূলনীতি: $ ext{NH}_4^+$ আয়নের সম-আয়ন প্রভাব মৃদু ক্ষারক $ ext{NH}_4 ext{OH}$-এর বিয়োজন হ্রাস করে $[ ext{OH}^-]$ নিয়ন্ত্রণ করে, ফলে শুধুমাত্র গ্রুপ III হাইড্রোক্সাইড অধঃক্ষিপ্ত হয়।
4. গ্রুপ IV ($ ext{Zn}^{2+}, ext{Ni}^{2+}, ext{Co}^{2+}, ext{Mn}^{2+}$): ক্ষারকীয় মাধ্যমে ($ ext{NH}_4 ext{OH} + ext{NH}_4 ext{Cl}$) $ ext{H}_2 ext{S}$ চালনা করে সালফাইড হিসেবে অধঃক্ষিপ্ত করা হয়।