দুই মুখের বিক্রিয়া কীভাবে থিতু হয়: সাম্যাবস্থা হাতে-কলমে

সিমুলেশনটি কীভাবে ব্যবহার করবে

1. শুরুতে শুধু N₂ আর H₂ আছে। ওপরের লেখচিত্রে নীল সম্মুখ হার সবচেয়ে বড়, লাল বিপরীত হার শূন্য। কিছুক্ষণ চলতে দাও: নীল নামে, লাল ওঠে, তারপর দুটো মিলে যায়। ওই মুহূর্তেই সাম্যাবস্থা। নিচের লেখচিত্রে ঘনমাত্রাগুলো সমতল হয়ে যায়।
2. সাম্য এলে ডানের “এখনকার Q” আর “সাম্যধ্রুবক Kc” মিলিয়ে দেখো: দুটো প্রায় সমান (১.০০ আর ১.০০)।
3. এবার “বিক্রিয়ক যোগ করো (N₂)” চাপো। N₂ হঠাৎ ১ মোল/লিটার বেড়ে যাবে, Q কমে যাবে, আর ওপরের বার্তা বলবে বিক্রিয়া অগ্রগামী দিকে সরছে।
4. এবার তাপমাত্রা বাড়াও, চাপ বাড়াও, উৎপাদ সরাও। প্রতিবার কোন রেখা লাফ দিল আর কোনদিকে সরল, লিখে রাখো।
5. যেকোনো বাধার পরে ঘনমাত্রা আবার সমতল হতে সময় নেয়। সেটা শেষ হওয়ার আগেই আরেকটা বাধা দিলে কী হয়, সেটাও পরীক্ষা করে দেখো।

কল খোলা, নর্দমাও খোলা: তবু পানির স্তর স্থির

একটা বালতির কথা ভাবো। ওপরের কল থেকে প্রতি মিনিটে এক লিটার পানি পড়ছে, আর তলার ফুটো দিয়ে ঠিক এক লিটারই বেরিয়ে যাচ্ছে। বালতির পানির স্তর কি বদলাবে? না, স্থির থাকবে। অথচ পানি কিন্তু মোটেই থেমে নেই, ঢুকছে আর বেরোচ্ছে।

রাসায়নিক সাম্যাবস্থা হুবহু এমন। বিক্রিয়া থামে না, দুই দিকেই চলতে থাকে। বিক্রিয়ক ভেঙে উৎপাদ হচ্ছে, উৎপাদও ভেঙে বিক্রিয়ক হচ্ছে। দুই হার সমান হলে বাইরে থেকে কিছুই বদলাচ্ছে না মনে হয়: রঙ, চাপ, ঘনমাত্রা সব স্থির। তাই একে বলে গতিশীল সাম্যাবস্থা।

একটা কথা পরিষ্কার করে নিই। সাম্যাবস্থায় ঘনমাত্রা স্থির থাকে, কিন্তু সমান হয় না। কলের সঙ্গে ফুটোর পানির প্রবাহ সমান, বালতিতে কতটা পানি আছে তা অন্য ব্যাপার। সিমুলেশনে দেখো, সাম্যে হার দুটো মেলে, কিন্তু N₂, H₂ আর NH₃-এর রেখা আলাদা উচ্চতায় থাকে।

সাম্যাবস্থা কাকে বলে, শুরু থেকে

কিছু বিক্রিয়া একমুখী: কাগজ পুড়ে ছাই হলে ছাই থেকে কাগজ ফেরে না। কিন্তু অনেক বিক্রিয়া উভমুখী, অর্থাৎ বিক্রিয়ক থেকে উৎপাদ হয়, আবার উৎপাদ থেকে বিক্রিয়কও ফিরে আসে। এটা বোঝাতে আমরা ⇌ চিহ্ন লিখি: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃।

বদ্ধ পাত্রে এমন বিক্রিয়া শুরু করলে প্রথমে শুধু সম্মুখ বিক্রিয়া চলে, কারণ উৎপাদ নেই। যত উৎপাদ জমে, বিপরীত বিক্রিয়ার হার বাড়ে। আর বিক্রিয়ক কমলে সম্মুখ হার কমে। একসময় দুই হার সমান হয়ে যায়। এটাই সাম্য।

সিমুলেশনে এই গল্পটাই ঘটে। শুরুর মিশ্রণে N₂ ১ আর H₂ ৩ মোল/লিটার। ৫০০ K-এ সাম্যে পৌঁছে N₂ ০.৪৬, H₂ ১.৩৭ আর NH₃ ১.০৯ মোল/লিটার দাঁড়ায়। তার মানে শুরুর N₂-এর প্রায় ৫৪ শতাংশ অ্যামোনিয়ায় রূপান্তরিত হয়েছে।

গুরুত্বপূর্ণ শব্দগুলো

পরীক্ষায় এই শব্দগুলো নির্ভুল লিখতে পারা চাই।

Kc আর Q: সাম্যের হিসাব

বিক্রিয়ার সমীকরণে প্রতিটি পদার্থের ঘনমাত্রা তার সহগের সমান ঘাতে বসিয়ে উৎপাদকে বিক্রিয়ক দিয়ে ভাগ করলে Kc পাওয়া যায়। নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় এই মান ধ্রুব, ঘনমাত্রা যাই থাকুক না কেন। আর কঠিন বা বিশুদ্ধ তরলের ঘনমাত্রা ধরা হয় না।

কেন এমন সূত্র? সম্মুখ হার kf[N₂][H₂]³, বিপরীত হার kr[NH₃]²। সাম্যে দুটো সমান, তাই kf ÷ kr = [NH₃]² ÷ ([N₂][H₂]³) = Kc। সিমুলেশন ঠিক এই সূত্রে চলে: kr = kf ÷ Kc ধরা আছে।

Q-র সূত্র Kc-র মতোই, কিন্তু ঘনমাত্রা বসে এখনকার। Q আর Kc-র তুলনাই বলে দেয় বিক্রিয়া কোন দিকে যাবে।

লা শাতেলিয়ের নীতি: বাধা দিলে কী হয়

ধরো, তুমি একটা স্প্রিং চেপে ধরেছ। ছাড়লে সে বাধার উল্টো দিকে ঠেলে। সাম্যাবস্থাও তেমন। সাম্যে বাধা দিলে সিস্টেম সেই বাধার প্রভাব কমানোর দিকে সরে যায়। ফরাসি রসায়নবিদ হেনরি লা শাতেলিয়ের এই নীতি দিয়েছিলেন।

সিমুলেশনের চারটি বাধা চার রকম প্রভাব ফেলে। নিচের সারণিতে সবগুলো এক জায়গায়।

তাপমাত্রা: Kc-কে বদলাতে পারে একমাত্র সে

হেবার বিক্রিয়ায় ΔH = −৯২ kJ, অর্থাৎ বিক্রিয়ায় তাপ বের হয়। তাপমাত্রা বাড়ালে সিস্টেম সেই তাপ শুষে নেওয়ার চেষ্টা করে, মানে বিপরীত দিকে যায়। ভ্যান্ট হফের সমীকরণ থেকে Kc-র মান বের হয়, আর সিমুলেশনে প্রতিটি ধাপে ৫০ K করে বদলায়।

৫০০ K থেকে ৫৫০ K-এ গেলে Kc ১.০০ থেকে ০.১৩৪-এ নামে, মানে মূল মানের ০.১৩ গুণ। তাপমাত্রার ধাপগুলো সাজিয়ে দেখো:

সিমুলেশনে নিজে করে দেখো

এই পরীক্ষাগুলো একটা একটা করে করো, প্রতিবার আগে অনুমান লিখে তারপর দেখো।

• পরীক্ষা ১: কিছু না করে চলতে দাও। সাম্যে হার দুটো মিলল, [NH₃] ১.০৯ মোল/লিটার। পাশে Q আর Kc ১.০০ আর ১.০০।
• পরীক্ষা ২: সাম্যে এসে “বিক্রিয়ক যোগ করো” চাপো। Q হয় ০.৩১৪, যা Kc-র চেয়ে কম, তাই অগ্রগামী। নতুন সাম্যে [NH₃] বেড়ে ১.২৯ হয়।
• পরীক্ষা ৩: “অর্ধেক উৎপাদ সরাও” চাপো। NH₃ ১.০৯ থেকে নেমে ০.৫৪ হয়, Q ০.২৫০। নতুন সাম্যে আবার ০.৭২-এ ফেরে।
• পরীক্ষা ৪: “চাপ বাড়াও” চাপো। সব ঘনমাত্রা একসঙ্গে দ্বিগুণ হয়ে যায়, Q হঠাৎ ০.২৫ গুণে নেমে ০.২৫০ হয়। বিক্রিয়া অগ্রগামী, কারণ ৪ মোল গ্যাস ২ মোলে নামে।
• পরীক্ষা ৫: “তাপমাত্রা বাড়াও” চাপো। Kc নামে, তাই Q > Kc হয়ে যায় এবং NH₃ ভাঙতে থাকে। দুই হারই এক ধাক্কায় বাড়ে, তাই সাম্যে আসতে আগের চেয়ে কম সময় লাগে।

সমাধান করা গাণিতিক সমস্যা

এখানকার সব সংখ্যা সিমুলেশনের মডেল থেকেই নেওয়া, তাই পর্দার সঙ্গে মিলিয়ে দেখতে পারবে।

যে ভুলগুলো সবাই করে

পরীক্ষায় সবচেয়ে বেশি নম্বর কাটে এই জায়গাগুলোতে।

• সাম্যে ঘনমাত্রা সমান ধরা: স্থির মানে সমান নয়।
• সাম্যে বিক্রিয়া থেমে গেছে ভাবা: দুই দিকের হার সমান, কোনোটাই শূন্য নয়।
• চাপ বদলালে Kc বদলে যায় ভাবা: শুধু তাপমাত্রা Kc বদলায়।
• অনুঘটক ফলন বাড়ায় ভাবা: সে শুধু আগে সাম্যে পৌঁছে দেয়।
• Kc-র সূত্রে সহগকে ঘাত না করা: H₂-এর সহগ ৩ হলে [H₂]³ লিখতে হবে।
• কঠিন পদার্থের ঘনমাত্রা Kc-তে বসানো: বিশুদ্ধ কঠিন ও তরলের মান ধ্রুব, তাই বাদ।

বাস্তব জীবনে সাম্যাবস্থা

সাম্যাবস্থার নীতি কারখানা থেকে আমাদের শরীর পর্যন্ত ছড়ানো।

• সার কারখানা: হেবার প্রক্রিয়ায় বাতাসের নাইট্রোজেন আর হাইড্রোজেন থেকে অ্যামোনিয়া হয়, তারপর ইউরিয়া সার। কারখানা উচ্চ চাপ আর অনুঘটক ব্যবহার করে, আর তৈরি অ্যামোনিয়া ক্রমাগত সরিয়ে নিয়ে সাম্যকে এগোতে বাধ্য করে।
• সোডা পানি: বোতল সিল করা থাকলে CO₂ গ্যাস আর দ্রবীভূত CO₂ সাম্যে থাকে। ঢাকনা খুললে চাপ কমে, সাম্য সরে গ্যাস বেরিয়ে আসে, তাই বুদবুদ ওঠে।
• রক্তে অক্সিজেন: হিমোগ্লোবিন আর অক্সিজেনের বিক্রিয়া উভমুখী। ফুসফুসে অক্সিজেন বেশি, তাই বাঁধে; কোষে কম, তাই ছাড়ে।
• গরম পানিতে চিনি: দ্রবণ আর অদ্রবীভূত চিনির সাম্য থাকে। তাপ দিলে আরও চিনি গলে, কারণ দ্রবীভূত হওয়া তাপগ্রাহী।
• রং বদলানো পরীক্ষা: কিছু আয়নের দ্রবণ ঠান্ডা-গরমে রং বদলায়, সাম্য সরার সরাসরি প্রমাণ।

পরীক্ষার কোণ (SSC, HSC)

নিচের প্রশ্নগুলো নিজে করে তারপর উত্তর মিলিয়ে নাও।

• সংক্ষিপ্ত প্রশ্ন: গতিশীল সাম্যাবস্থা কাকে বলে? লা শাতেলিয়ের নীতি বলো। অনুঘটকের ভূমিকা কী?
• গাণিতিক: সাম্যে N₂ ০.৫, H₂ ১.৫ আর NH₃ ০.৪ মোল/লিটার। Kc কত? উত্তর: ০.০৯৫।
• একই তথ্যে বিপরীত বিক্রিয়ার Kc কত? উত্তর: ১ ÷ Kc = ১০.৫।
• যদি সমীকরণ অর্ধেক করে ½N₂ + 3⁄2H₂ ⇌ NH₃ লেখা হয়, নতুন Kc = √Kc = ০.৩০৮।
• একটি মিশ্রণে N₂ = H₂ = NH₃ = ১ মোল/লিটার। Q = ১.০০, আর Kc = ১.০০ হলে বিক্রিয়া কোন দিকে যাবে? Q কম হলে অগ্রগামী, বেশি হলে পশ্চাদগামী।

পুনরালোচনা: এক নজরে

পরীক্ষার আগের রাতে এই তালিকাটা পড়ে নাও।

• সাম্যে দুই দিকের হার সমান, কিন্তু বিক্রিয়া থামে না।
• Kc = উৎপাদের ঘনমাত্রা (সহগ ঘাতে) ÷ বিক্রিয়কের ঘনমাত্রা (সহগ ঘাতে)।
• Q < Kc হলে অগ্রগামী, Q > Kc হলে পশ্চাদগামী, Q = Kc হলে সাম্য।
• বিক্রিয়ক যোগ বা উৎপাদ সরানো: অগ্রগামী। উল্টোটা করলে পশ্চাদগামী।
• চাপ বাড়লে কম গ্যাস-মোলের দিকে সরে; তাপ বাড়লে তাপগ্রাহী দিকে সরে।
• শুধু তাপমাত্রাই Kc বদলায়; অনুঘটক Kc বদলায় না, শুধু সাম্যে পৌঁছানো দ্রুত করে।

সচরাচর জিজ্ঞাসা