রসায়ন দ্বিতীয় পত্র · একাদশ-দ্বাদশ · অধ্যায় ১ · ১.৮ থেকে ১.৯
সিলিন্ডার, গ্যাসের তরলীকরণ ও বজ্রপাতে নাইট্রোজেন বন্ধন।
রান্নার সিলিন্ডারের ভেতরে আসলে তরল, অথচ চুলায় আসে গ্যাস। আবার গাড়ির CNG সিলিন্ডারে ২২০ atm চাপে গ্যাসই ঠাসা। গ্যাসকে কখন তরল করা যায়, আর কখন চাপ দিয়েও যায় না? এই নোটে সেই উত্তর, সিলিন্ডারের হিসাব, আর বজ্রপাত কীভাবে মাটিকে সার দেয়।
১. সিলিন্ডারে কী ভরা হয়
LPG (তরলীকৃত পেট্রোলিয়াম গ্যাস) প্রধানত প্রোপেন ও বিউটেনের তরল মিশ্রণ। রান্নার গ্যাসে ২৫% প্রোপেন আর ৭৫% বিউটেন। এতে আইসোবিউটেন, বিউটিন এবং অল্প ইথেন ও প্রোপিলিনও থাকে।
গ্যাস মিশ্রণটাকে শীতল করে ৬ atm চাপে তরল করা হয়। ভরা সিলিন্ডারে ৮৫% তরল, ওপরের ১৫% আয়তনে গ্যাস, আর ভেতরের চাপ ৩ kg cm⁻²। LPG গন্ধহীন, তাই ভরার সময় তীব্র দুর্গন্ধের মারক্যাপটান, অর্থাৎ থায়োমিথানল (CH₃SH) বা থায়োইথানল (C₂H₅SH), সামান্য মিশিয়ে দেওয়া হয়। লিকেজ হলে নাক সঙ্গে সঙ্গে জানান দেয়।
LPG, LNG ও CNG পরিষ্কার জ্বালানি: ধোঁয়া ও ছাই হয় না, তবে CO₂ আর অল্প CO বের হয়। ক্যালরিফিক মান LPG র প্রায় ৯৪০০০ kJ m⁻³, LNG ও CNG র প্রায় ৩৮০০০ kJ m⁻³, অর্থাৎ LPG ২.৪৭ গুণ বেশি।
CNG (সংকুচিত প্রাকৃতিক গ্যাস) মোটরযানে চলে; এতে ৯৫-৯৯% CH₄, বাকিটা C₂H₆, C₃H₈ ও C₄H₁₀। ফিলিং স্টেশনে ২.৩-৩.০ atm চাপে আসা গ্যাস চার ধাপে জমা হয়: ৫-৭, ৭-২৮, ২৮-৮২ আর ৮২-২২০ atm। ২৫°C এ ২২০ atm চাপে সিলিন্ডারের ধারণক্ষমতা গাড়িভেদে ৬০ L, ৯০ L বা ১২০-১৫০ L।
LNG বানাতে আগে প্রাকৃতিক গ্যাস থেকে CO₂, H₂S ও ভারী হাইড্রোকার্বন সরানো হয়। তারপর মূলত CH₄ কে ১ atm চাপে −১৬০°C এ শীতল করে তরল করা হয়। চাপ সেই ১ atm-ই, কাজটা করে ঠান্ডা।
সিলিন্ডারজাতকরণে কেবল LPG র বেলায় গ্যাস সূত্র খাটে না, কারণ ভরা হয় তরল। CNG ও অন্য গ্যাসে আদর্শ গ্যাস সূত্র প্রয়োগ হয়। অক্সিজেন সিলিন্ডারে অক্সিজেন, অ্যাসিটিলিন (লোহা কাটা-জোড়ায়) আর আর্গন (স্টেইনলেস স্টিল ঝালাইয়ে নিষ্ক্রিয় পরিবেশ) ভরা হয়।
২. সিলিন্ডারের হিসাব
হিসাবে তাপমাত্রা কেলভিনে, K = °C + ২৭৩। নিচের যন্ত্রে বইয়ের চারটা উদাহরণ বসানো আছে; সংখ্যা বদলে নিজেরটাও করতে পারো।
n = PV/RT
হিসাবটা আদর্শ গ্যাসের মডেল, তোমার মাপ না।
২৫°C ও ২২০ atm এ ৬০ L CNG সিলিন্ডারে n = PV/RT = (২২০ × ১০১.৩২৫×১০³ × ৬০×১০⁻³)/(৮.৩১৪ × ২৯৮) = ৫৩৯.৮৪ mol। ২৫°C এ ১ mol = ২৪.৭৮৯ L, তাই ৫৩৯.৮৪ mol = ১৩.৩৮ m³; CNG m³ এককে বিক্রি হয়।
সমস্যা ১.৬৭(ক): ১২০ L সিলিন্ডারে ২৭°C ও ২০০ atm এ CH₄ র মোল n = PV/RT = ২০০ × ১২০/(০.০৮২ × ৩০০) = ৯৭৫.৬১ mol; ভর = ১৬ × ৯৭৫.৬১ = ১৫৬০৯.৭৬ g। লক্ষ করো, এখানে R = ০.০৮২ (L atm), আগের হিসাবে ৮.৩১৪ (SI); চাপ-আয়তনের একক দেখে R বেছে নাও।
সমস্যা ১.৬৭(খ): প্রথম সিলিন্ডার ২৭°C ও ২০০ atm সহ্য করে। ৩৭°C এ P = ২০০ × ৩১০/৩০০ = ২০৬.৬৭ atm, সহ্যসীমা ২০০ atm এর বেশি, তাই ৩৭°C এ অযোগ্য। দ্বিতীয়টি ৩৭°C ও ৫০ atm সহ্য করে; ২৭°C এ P = ৫০ × ৩০০/৩১০ = ৪৮.৩৮ atm, সীমার নিচে, তাই দ্বিতীয় সিলিন্ডারটিই অধিকতর উপযোগী।
৩. গ্যাস তরল করার শর্ত
গ্যাস তরল করতে দুটো শর্ত লাগে। এক, তাপমাত্রা সন্ধি (ক্রান্তি) তাপমাত্রার নিচে আনতে হবে। দুই, সেই তাপমাত্রায় উপযুক্ত চাপ দিতে হবে। গ্যাস সন্ধি তাপমাত্রার যত নিচে থাকে, তরল করতে চাপ তত কম লাগে।
সন্ধি তাপমাত্রা T_c হলো সেই তাপমাত্রা, যার ওপরে চাপ যত বেশিই দেওয়া হোক গ্যাস তরল হয় না: CO₂ এর ৩১.১°C, NH₃ এর ১৩২.৪°C, H₂ এর −২৪০°C, He এর −২৬৮°C। সন্ধি চাপ P_c হলো সন্ধি তাপমাত্রায় গ্যাসকে তরল করতে প্রয়োজনীয় সর্বনিম্ন চাপ: CO₂ এর ৭২.৯ atm, NH₃ এর ১১১.৫ atm, H₂ এর ১২.৮ atm, He এর ২.২৬ atm।
সারণির মান (T_c °C, P_c atm): He −২৬৮, ২.২৬; H₂ −২৪০, ১২.৮০; N₂ −১৪৭.১, ৩৩.৫০; Ar −১২২.১, ৪৮.৩৬; O₂ −১১৮.৮, ৫০.১৪; CH₄ −৮২.৩, ৪৫.৮০; CO₂ ৩১.১, ৭২.৯০; NH₃ ১৩২.৪, ১১১.৫০; Cl₂ ১৪৩.৯, ৭৮.৭৫; SO₂ ১৫৭.৭, ৭৭.৮০।
একটা গ্যাস চেপে ধরো। আগে সংকট তাপমাত্রার নিচে, তারপর ওপরে।
T_c এর ওপরে চাপ বৃথা
T_c আর P_c বইয়ের মান। T_c এর নিচে কত চাপ লাগে, সেই নীল রেখাটা মডেল।
যে গ্যাসের সন্ধি তাপমাত্রা বেশি আর আন্তঃআণবিক আকর্ষণ (ভ্যানডার ওয়ালস ধ্রুবক a) বেশি, সে সহজে তরল হয়। তাই NH₃ (T_c ১৩২.৪°C) সহজে তরল হয়, আর He (T_c −২৬৮°C) সবচেয়ে কঠিনে। এবার গ্যাস আর তাপমাত্রার কার্ড বাক্সে ফেলো। চিপ বাক্সে পড়লে তার T_c দেখা যাবে।
T_c-র নিচে হলেই
৪. জুল-থমসন প্রভাব আর উৎক্রম তাপমাত্রা
জুল-থমসন প্রভাব: উচ্চচাপের আবদ্ধ গ্যাস সচ্ছিদ্র প্লাগ বা ছিদ্র দিয়ে হঠাৎ নিম্নচাপের বড় স্থানে প্রসারিত হলে তার তাপমাত্রা কমে যায়। কারণ গ্যাস আন্তঃআণবিক আকর্ষণের বিরুদ্ধে কাজ করে, আর তাতে অভ্যন্তরীণ শক্তি ব্যয় হয়।
বাণিজ্যিকভাবে বায়ু আগে কিছুটা ঠান্ডা করা হয়, তারপর বারবার জুল-থমসন সম্প্রসারণে আরও শীতল করা হয়, শেষে প্রায় −২০০°C ও ২০০ atm চাপে তরল করা হয়।
উৎক্রম তাপমাত্রা হলো যে তাপমাত্রার নিচে গ্যাস প্রসারণে শীতল হয়। এর ওপরে জুল-থমসন সম্প্রসারণে তাপমাত্রা কমার বদলে বাড়ে। H₂ এর উৎক্রম তাপমাত্রা −৮০°C, He এর −২৪০°C।
H₂ ও He তরল করা সবচেয়ে কঠিন, কারণ এদের উৎক্রম তাপমাত্রা খুব কম। তাই আগে H₂ কে তরল বায়ু দিয়ে আর He কে তরল H₂ দিয়ে উৎক্রম তাপমাত্রার নিচে ঠান্ডা করা হয়। তারপর জুল-থমসন সম্প্রসারণ আর উচ্চচাপে তাদের তরল করা হয়।
৫. বজ্রপাতে নাইট্রোজেন বন্ধন
নাইট্রোজেন ফিক্সেশন বা বন্ধন হলো বায়ুর N₂ কে নাইট্রোজেন যৌগে পরিণত করে ব্যবহারযোগ্য রূপে আবদ্ধ রাখার প্রক্রিয়া।
প্রথম ধাপ আকাশেই। বজ্রবিদ্যুতের প্রায় ৩০০০°C তাপমাত্রায় বায়ুর N₂ ও O₂ যুক্ত হয়ে NO গঠন করে: N₂ + O₂ → 2NO। বিদ্যুৎকেন্দ্র আর ইঞ্জিনের উচ্চ তাপমাত্রার দহনেও NO তৈরি হয়।
NO প্রায় ৫০°C এ অধিক O₂ এর সাথে যুক্ত হয়ে NO₂ হয়: 2NO + O₂ → 2NO₂। বৃষ্টির পানির সাথে তা HNO₃ গঠন করে: 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃।
একটা বাজ পড়াও, তারপর বাতাসের নাইট্রোজেনকে মাটি পর্যন্ত নেমে আসতে দেখো।
আকাশ থেকে মাটিতে
ছবিটা নকশা, মাপা নয়।
HNO₃ বৃষ্টির সাথে মাটিতে পড়ে মাটির ক্ষারকীয় পদার্থ চুন (CaO) ও CaCO₃ এর সাথে বিক্রিয়া করে দ্রবণীয় নাইট্রেট লবণ গঠন করে: CaO + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + H₂O। এটাই মাটিতে প্রাকৃতিক N-ফিক্সেশন। এবার ধাপগুলো ক্রমে সাজাও।
বজ্র থেকে মাটির নাইট্রেট
৬. কারখানা আর জীবাণুর নাইট্রোজেন
হেবার পদ্ধতি: N₂ + 3H₂ → 2NH₃, ৫০০°C ও ২০০ atm এ, Fe প্রভাবক আর Al₂O₃ সহ। NH₃ থেকে ইউরিয়া ও DAP সার তৈরি হয়।
অসওয়াল্ড পদ্ধতিতে NH₃ এর প্রভাবকীয় জারণ হয় (Pt, ৯০০°C): 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O। তারপর 4NO + 2O₂ → 4NO₂ এবং 4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃। HNO₃ থেকে CAN, Ca(NO₃)₂ ইত্যাদি নাইট্রেট সার হয়।
জৈব ফিক্সেশনে সবুজ অ্যালগি আর মটর, শিম, ছোলার মতো লিগিউম উদ্ভিদের শিকড়-গুটির সিম্বায়োটিক জীবাণু বায়ুর N₂ শোষণ করে। এই পথেই সবচেয়ে বেশি N₂ বাঁধা পড়ে, অন্য দুই প্রক্রিয়ার চেয়ে বেশি। মলিবডেনাম (Mo) যুক্ত কোএনজাইম N₂ কে বিজারিত করে NH₃ ও NH₄⁺ বানায়।
মাটির অন্য জীবাণু NH₄⁺ কে জারিত করে প্রথমে NO₂⁻, শেষে NO₃⁻ বানায়। উদ্ভিদ NO₃⁻ শোষণ ও বিজারিত করে প্রোটিন তৈরি করে। প্রাণী সেই প্রোটিন খায় আর ইউরিয়া [(H₂N)₂C=O] ত্যাগ করে।
চক্রটা বন্ধ হয় ডিনাইট্রিফাইং জীবাণুর হাতে: তারা NO₃⁻ কে বিজারিত করে NO₂⁻, N₂O ও শেষে N₂ বানিয়ে বায়ুতে ফেরত পাঠায়। তাই বায়ুতে N₂ প্রায় ৭৮% থেকে যায়। প্রকৃতিতে নাইট্রোজেনের এই রূপান্তরকে নাইট্রোজেন চক্র বলে।
৭. মিলিয়ে দেখো
তিনটা প্রশ্ন, পরীক্ষার ধাঁচে। প্রথমটা দিয়ে শুরু।
প্রশ্ন ১
Liquid Petroleum Gas-এ কোন গ্যাসসমূহের মিশ্রণ প্রধানত বিদ্যমান?
দ্বিতীয়টায় তথ্যগুলো মিলিয়ে নাও।
প্রশ্ন ২
A + H₂ → B; B + CO₂ → ইউরিয়া উদ্দীপকের A কোনটি?
শেষটায় একটু ভেবে বেছে নাও।
প্রশ্ন ৩
২৫°C ও ২২০ atm চাপে ৬০ L CNG সিলিন্ডারে প্রায় কত মোল মিথেন থাকে? (R = ৮.৩১৪ J mol⁻¹ K⁻¹)
পুরো নোটটা আটটা কার্ডে।
আটটা কার্ড
সূত্র: রসায়ন দ্বিতীয় পত্র, একাদশ-দ্বাদশ শ্রেণি (এনসিটিবি), অধ্যায় ১ “পরিবেশ রসায়ন”, অনুচ্ছেদ ১.৮ থেকে ১.৯।