চিরকুট। English

রসায়ন দ্বিতীয় পত্র · একাদশ-দ্বাদশ · অধ্যায় ১ · ১.৩.৬

আদর্শ গ্যাস সমীকরণ।

একটা বেলুনে কত অণু আছে, বা এক নিঃশ্বাসে ফুসফুসে কত অণু ঢুকল? বয়েল, চার্লস আর অ্যাভোগ্যাড্রো তিনজন আলাদা আলাদা সম্পর্ক দিয়েছেন। তিনটা মিলিয়ে P, V, n, T চারটা রাশি একটাই সমীকরণে বাঁধা পড়ে: PV = nRT। এই এক সমীকরণ থেকে মোল, ভর, ঘনত্ব আর আণবিক ভর সবই বের হয়।

১. তিন সূত্র, এক সমীকরণ

বয়েলের সূত্রে n আর T স্থির রেখে V ∝ ১/P। চার্লসের সূত্রে n আর P স্থির রেখে V ∝ T। অ্যাভোগ্যাড্রোর সূত্রে P আর T স্থির রেখে V ∝ n। তিনটা একত্র করলে V ∝ nT/P, আর ধ্রুবক বসালে PV = nRT। এই সম্পর্ককেই বলে আদর্শ গ্যাস সূত্র বা আদর্শ গ্যাস সমীকরণ। এক মোল গ্যাসের বেলায় n = ১, তাই PVm = RT, যেখানে Vm মোলার আয়তন।

ক্রম তিন সূত্র, এক ধ্রুবক

সূত্র থেকে সমীকরণ

তিন সূত্রের একটা দিয়ে শুরু করো। বয়েলের সূত্র কোন সম্পর্ক দেয়?

R কে বলে সার্বজনীন গ্যাস ধ্রুবক বা মোলার গ্যাস ধ্রুবক। সার্বজনীন কেন? একই তাপমাত্রা ও চাপে এক মোল যেকোনো গ্যাসের মোলার আয়তন সমান। তাই গ্যাস হাইড্রোজেন হোক বা অক্সিজেন, R এর মান একই থাকে।

R এর একক কী? R = PV/nT = (বল/ক্ষেত্রফল) × V/(nT)। আয়তনকে ক্ষেত্রফল দিয়ে ভাগ করলে একটা দৈর্ঘ্য থাকে, তাই R = (বল × দৈর্ঘ্য)/(মোল সংখ্যা × কেলভিন)। বল × দৈর্ঘ্য হলো কাজ, তাই R এর একক কাজ (বা শক্তি) mol⁻¹ K⁻¹।

R এর ভৌত তাৎপর্য: চাপ স্থির রেখে এক মোল আদর্শ গ্যাসের তাপমাত্রা এক কেলভিন বাড়ালে আয়তন বাড়ার ফলে যে পরিমাণ কাজ হয়, সেটাই R।

চাপ = বল/ক্ষেত্রফল, তাই চাপের SI একক N m⁻² = kg m⁻¹ s⁻²। পরের অংশে P আর V এর একক দেখে R বেছে নেওয়ার সময় এটা কাজে লাগবে।

২. R এর মান, এককভেদে

এক মোল গ্যাস নিয়ে PV = RT থেকে R বের হয়। লিটার-অ্যাটমস্ফিয়ারে V = ২২.৪১৪ L, P = ১ atm, T = ২৭৩.১৫ K, তাই R = ১ × ২২.৪১৪/(১ × ২৭৩.১৫) = ০.০৮২০৫৮ L atm mol⁻¹ K⁻¹। SI এককে V = ২২.৪১৪×১০⁻³ m³, P = ১০১.৩২৫×১০³ N m⁻², T = ২৭৩.১৫ K বসালে R = ৮.৩১৪ J mol⁻¹ K⁻¹, কারণ ১ N m = ১ J।

CGS এককে P = ৭৬ × ১৩.৬ × ৯৮১ dyne cm⁻², V = ২২৪১৪ cm³, T = ২৭৩.১৫ K দিলে R = ৮.৩২×১০⁷ erg K⁻¹ mol⁻¹, কারণ ১ dyne cm = ১ erg। অপশনে এটা ৮.৩১৪×১০⁷ বা ৮.৩১৬×১০⁷ আর্গ হিসেবেও আসে, মান একই। ক্যালরিতে যেতে J মানকে ৪.১৮৪ দিয়ে ভাগ করো (১ cal = ৪.১৮৪ J): ৮.৩২ ÷ ৪.১৮৪ = ১.৯৮৭ cal K⁻¹ mol⁻¹। ইঞ্জিনিয়ারিং এককে P = ১৪.৭ × ১৪৪ lb ft⁻², V = ৩৫৯ ft³, T = ২৭৩ K বসিয়ে R = ২৭৮৩.৬৩ ft lb mol⁻¹ K⁻¹ পাওয়া যায়।

এক নজরে পাঁচটা মান: ০.০৮২ L atm mol⁻¹ K⁻¹, ৮.৩১৪ J mol⁻¹ K⁻¹ (SI), ৮.৩২×১০⁷ erg mol⁻¹ K⁻¹ (CGS), ১.৯৮৭ cal mol⁻¹ K⁻¹ আর ২৭৮৩.৬৩ ft lb mol⁻¹ K⁻¹। ক্যালরি একক কেবল খাদ্যবস্তুর food value প্রকাশে ব্যবহৃত হয়। মান বদলায়, তাৎপর্য একই; নিচে প্রতিটা মান তার এককের বাক্সে বসাও।

মেলাও মান বদলায়, তাৎপর্য একই

এককভেদে R

একটা মান ধরো, তারপর যে এককের বাক্সে বসে সেখানে ছাড়ো।

৩. বোল্টজম্যান ধ্রুবক

R হলো প্রতি মোলের হিসাব। গ্যাসের অণু প্রতি গ্যাস ধ্রুবকের মানকে বলে বোল্টজম্যান ধ্রুবক k, আর k = R/NA।

L atm এককে k = ০.০৮২/৬.০২২×১০²³ = ১.৩৬×১০⁻²⁵ L atm K⁻¹ molecule⁻¹। SI এককে k = ৮.৩১৪/৬.০২২×১০²³ = ১.৩৮×১০⁻²³ J K⁻¹ molecule⁻¹।

৪. আণবিক ভর আর ঘনত্ব

গ্যাসের ভর w আর মোলার ভর M হলে n = w/M। এটা PV = nRT তে বসালে PV = wRT/M, অর্থাৎ M = wRT/PV।

ঘনত্ব d = w/V। একই সমীকরণ ঘুরিয়ে পাই d = PM/RT।

d = PM/RT থেকে দুটো কথা বের হয়। স্থির তাপমাত্রায় d ∝ P, তাই চাপ বাড়ালে গ্যাসের ঘনত্ব বাড়ে। স্থির চাপ ও তাপমাত্রায় d ∝ M, তাই ভারী গ্যাসের ঘনত্ব বেশি।

ভর দেওয়া থাকলে আগে n = w/M বের করে সমীকরণ লেখো। ৪৪ g CO₂ এর n = ১, তাই PV = RT। ৮ g He এর n = ২, তাই PV = 2RT। ৪ g H₂ এর n = ২, তাই PV = 2RT।

ভাগ করো প্রথমে জানো কী দেওয়া আছে

কাজ অনুযায়ী সূত্র

একটা কাজ ধরো, তারপর যে সূত্রে সেটা মেটে সেই বাক্সে ছাড়ো।

৫. সমীকরণ দিয়ে হিসাব

চারটা রাশি, একটা সমীকরণ। একটাকে তালাবন্ধ করো, বাকি তিনটা নাড়াও, আর একক বদলে R দেখো।

গ্যাসের খেলাঘর একটা তালাবন্ধ করো

PV = nRT চলছে

পিস্টন আর অণুর ছবিটা মডেল; সংখ্যাগুলো PV = nRT থেকে।

এবার হাতে কষো। অজানা রাশিটা বেছে বাকি তিনটা দাও; কেলভিনে T দিতে ভুলো না। নিচের উদাহরণগুলো বইয়ের সমস্যা ১.২৫, ১.৩০ আর ১.৩১ এর ধাঁচে।

হিসাব যন্ত্র কেলভিন ও মিলিয়ে নেওয়া একক

PV = nRT, অজানাটি বের করো

সংখ্যাগুলো অনুশীলনের, তোমার মাপ না। এটা কোথাও যাচ্ছে না। খাতাটা তোমার।

সমস্যা ১.২১: ২৭°C এর গ্যাসের চাপ ০.৮ atm থেকে ১.১৮ atm হলো, আর আয়তন দ্বিগুণ করতে হবে। T₂ = ১.১৮ × ২x × ৩০০/(০.৮ × x) = ৮৮৫ K = ৬১২°C। তাই তাপমাত্রা বাড়াতে হয় ৫৮৫°C।

সমস্যা ১.২২: প্রমাণ অবস্থায় ১০০০ mL গ্যাসকে ২৭°C ও ৭৪/৭৬ atm চাপে আনলে V₂ = ১ × ১ × ৩০০/(২৭৩ × ৭৪/৭৬) = ১.১২৮৬ L।

সমস্যা ১.২৩: STP তে ৩×১০⁻³ m³ গ্যাসের ভর ৪.৫×১০⁻³ kg। ২৭°C ও ১০১.৯৯ kPa এ ৪.০×১০⁻⁴ m³ গ্যাসের ভর = ৪.৫×১০⁻³ × ৩.৬৬৪×১০⁻⁴/(৩×১০⁻³) = ৫.৪৯৬×১০⁻⁴ kg।

সমস্যা ১.২৪: কঠিন বস্তুসহ গ্যাসের আয়তন ২০°C এ ০.১২ dm³, আর ৪৭°C এ চাপ দ্বিগুণ করলে ৭১.৫ cm³। (১২০ − x)/২৯৩ × P = 2P(71.5 − x)/৩২০ থেকে কঠিনের আয়তন x = ১৩.১৫৪ cm³।

সমস্যা ১.২৫: ২৭°C ও ৭৭/৭৬ atm এ ২০ L মিথেনের মোল n = PV/RT = (৭৭/৭৬) × ২০/(০.০৮২ × ৩০০) = ০.৮২৩৭ mol। সমস্যা ১.২৬: ৩০°C ও ০.৯৮৭ atm এ ১ mL গ্যাসে n = ০.৯৮৭×১০⁻³/(০.০৮২ × ৩০৩) = ৩.৯৭×১০⁻⁵ mol, অর্থাৎ অণু ২.৩৯০৭×১০¹⁹ টি।

সমস্যা ১.২৭: ২৭°C ও ১০২ kPa এ ২৫০ mL মিথেনের n = (১০২/১০১.৩২৫) × ০.২৫/(০.০৮২ × ৩০০) = ০.০১০২৩০৩০২ mol, তাই ভর = ০.১৬৩৭ g।

সমস্যা ১.২৮: ২০°C ও ৭৪০ mm Hg এ ০.৮৪২ g গ্যাস ৪০০ mL হলে M = wRT/PV = ০.৮৪২ × ০.০৮২ × ২৯৩ × ৭৬০/(৭৪০ × ০.৪) = ৫১.৯৪২ g mol⁻¹। সমস্যা ১.২৯: ৩০°C ও ৯৫ kPa এ ২৫০ mL গ্যাসের ভর ০.২ g হলে M = ০.২ × ০.০৮২ × ৩০৩ × ১০১.৩২৫/(৯৫ × ০.২৫) = ২১.২ g mol⁻¹ (বইয়ে এভাবে ছাপা)।

সমস্যা ১.৩০: ২৭°C ও ০.৫২৬ atm এ ১৫ g N₂ (M = ২৮) এর আয়তন V = wRT/PM = ১৫ × ০.০৮২ × ৩০০/(০.৫২৬ × ২৮) = ২৫.০৫ L। সমস্যা ১.৩১: ৩০°C এ ৫ L পাত্রে ১২ g CO₂ এর চাপ P = wRT/VM = ১২ × ০.০৮২ × ৩০৩/(৫ × ৪৪) = ১.৩৫৫২৪ atm।

সমস্যা ১.৩২: ১০০°C ও ১.০৫২৬ atm এ CO₂ এর ঘনত্ব d = PM/RT = ১.০৫২৬ × ৪৪/(০.০৮২ × ৩৭৩) = ১.৫১৪ g L⁻¹। সমস্যা ১.৩৩: ১০ L বায়ুশূন্য সিলিন্ডারে ২৭°C এ ২ g H₂ ও ২ g D₂ থাকলে n = ১ + ০.৫ = ১.৫ mol, তাই মোট চাপ P = ১.৫ × ০.০৮২ × ৩০০/১০ = ৩.৬৯ atm।

সমস্যা ১.৩৪: পূর্ণবয়স্ক লোকের ফুসফুসের ধারণক্ষমতা ৩.৮ L, তাই ১ atm ও ৩৭°C এ n = ১.০ × ৩.৮/(০.০৮২০৬ × ৩১০) = ০.১৫ mol। সমস্যা ১.৩৫: ২৫°C ও ৭৩৩.৪ mm Hg এ ১.০ L অ্যামোনিয়ার ভর ০.৬৭২ g। STP তে V₀ = ৭৩৩.৪ × ১.০ × ২৭৩/(২৯৮ × ৭৬০) = ০.৮৮৪ L, তাই ঘনত্ব d = ০.৬৭২/০.৮৮৪ = ০.৭৬০ g L⁻¹।

সমস্যা ১.৩৬: ১৫°C ও ৭৩৬ mm Hg এ অজানা গ্যাসের ঘনত্ব ৫.৩৮০ g L⁻¹। n = (৭৩৬/৭৬০) × ১.০/(০.০৮২০৬ × ২৮৮) = ০.০৪১ mol, M = ৫.৩৮০/০.০৪১ = ১৩১ g mol⁻¹, তাই গ্যাসটি সম্ভবত জেনন (পারমাণবিক ভর ১৩১.৩)। একইভাবে STP তে ৩.২ g গ্যাস ২.২৪ L দখল করলে n = ০.১ mol, M = ৩.২/০.১ = ৩২ g mol⁻¹, তাই গ্যাসটি O₂।

অণু গণনা: ২৭°C ও ১.০ atm এ ০.২ L বায়ুতে n = PV/RT = ০.২/(০.০৮২১ × ৩০০) = ৮.১২×১০⁻³ mol, তাই অণু = ৮.১২×১০⁻³ × ৬.০২২×১০²³ = ৪.৮৯×১০²¹ টি। তেমনি ১ atm ও ২৫°C এ ১১.২ L CO₂ এ n = ১১.২/(০.০৮২১ × ২৯৮) = ০.৪৫৮ mol, অণু = ২.৭৬×১০²³ টি।

একই তাপমাত্রা ও আয়তনে সমান ভরের গ্যাসের মধ্যে আণবিক ভর যার বেশি, তার মোল কম, তাই চাপও কম: P ∝ ১/M।

একই আয়তন, চাপ ও তাপমাত্রার পাত্রে সমসংখ্যক অণু থাকে, তাই He, Ne, Ar, Kr এর মতো এক-পরমাণুক গ্যাসে পরমাণুর সংখ্যাও সমান। আর d ∝ M হওয়ায় সবচেয়ে ভারী Kr এর ঘনত্ব সর্বাধিক।

বাষ্পের আয়তন: ১০০°C ও ১ atm এ ১ kg জলীয় বাষ্পের n = ১০০০/১৮ = ৫৫.৬ mol, তাই V = nRT/P = ৫৫.৬ × ০.০৮২১ × ৩৭৩/১ = ১৭০১ L। উল্টো দিকে ভর: ৩০°C এ ১০ dm³ সিলিন্ডারে O₂ এর চাপ ১৫.৫ atm হলে n = ১৫.৫ × ১০/(০.০৮২১ × ৩০৩) = ৬.২৩ mol, ভর = ৬.২৩ × ৩২ = ১৯৯.৪ g।

৬. মিলিয়ে দেখো

প্রথম প্রশ্নটা এই অধ্যায়ের সূত্রগুলো নিয়ে।

মিলিয়ে দেখো একটা উত্তর বেছে নাও

প্রশ্ন ১

বয়েল, চার্লস ও অ্যাভোগাড্রোর সমন্বয় সূত্র থেকে গ্যাসের ঘনত্ব নির্ণয়ের সমীকরণটি হলো,

দ্বিতীয়টায় একক আর R এর মান খেয়াল করো।

মিলিয়ে দেখো একটা উত্তর বেছে নাও

প্রশ্ন ২

স্থির উষ্ণতায়, গ্যাসের চাপ বাড়ালে ঘনত্বের মান,

শেষটা একটা হিসাবের প্রশ্ন।

মিলিয়ে দেখো একটা উত্তর বেছে নাও

প্রশ্ন ৩

0.25 মোল একটি গ্যাস 24.63 atm চাপে 0.5 লিটার আয়তন পাত্রে আছে। কত তাপমাত্রায় গ্যাসটি আদর্শ আচরণ করবে?

পুরো নোটটা সাতটা কার্ডে।

নোট থেকে কাটা উল্টে দেখো

সাতটা কার্ড

প্রশ্নবয়েল, চার্লস ও অ্যাভোগ্যাড্রোর সূত্র একত্র করলে কোন সমীকরণ পাওয়া যায়?
উত্তরV ∝ ১/P, V ∝ T ও V ∝ n থেকে V ∝ nT/P, অর্থাৎ PV = nRT।
প্রশ্নR কে সার্বজনীন গ্যাস ধ্রুবক বলা হয় কেন?
উত্তরএকই তাপমাত্রা ও চাপে এক মোল যেকোনো গ্যাসের মোলার আয়তন সমান, তাই সব গ্যাসের জন্য R এর মান একই।
প্রশ্নR এর পাঁচটি মান এককসহ বলো।
উত্তর০.০৮২ L atm; ৮.৩১৪ J; ৮.৩২×১০⁷ erg; ১.৯৮৭ cal; ২৭৮৩.৬৩ ft lb (প্রতি mol প্রতি K)।
প্রশ্নআদর্শ গ্যাস সমীকরণ থেকে আণবিক ভরের সূত্র কী?
উত্তরn = w/M বসিয়ে PV = wRT/M, তাই M = wRT/PV।
প্রশ্নআদর্শ গ্যাস সমীকরণ থেকে ঘনত্বের সূত্র কী?
উত্তরd = w/V = PM/RT।
প্রশ্ন২৭°C ও ৭৭/৭৬ atm এ ২০ L মিথেনে কত মোল আছে?
উত্তরn = PV/RT = (৭৭/৭৬) × ২০/(০.০৮২ × ৩০০) = ০.৮২৩৭ mol।
প্রশ্নSTP তে ৩.২ g গ্যাস ২.২৪ L দখল করলে গ্যাসটি কী?
উত্তরn = ০.১ mol; M = ৩.২/০.১ = ৩২ g mol⁻¹, তাই O₂।

সূত্র: রসায়ন দ্বিতীয় পত্র, একাদশ-দ্বাদশ শ্রেণি (এনসিটিবি), অধ্যায় ১ “পরিবেশ রসায়ন”, অনুচ্ছেদ ১.৩.৬।