ক্যালরিমিতি পদ্ধতিতে অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ নির্ণয়

 

মূলনীতি (Theory): পর্যাপ্ত পরিমাণ দ্রাবকে এক মোল (বা এক গ্রাম আণবিক ভর) দ্রব দ্রবীভূত করলে তাপের যে পরিবর্তন ঘটে তাকে উক্ত দ্রাবকে ঐ দ্রবের দ্রবণ তাপ (Heat of Solution) বলে। এখানে 'পর্যাপ্ত পরিমাণ দ্রাবক' বলতে দ্রাবকের এমন পরিমাণ বোঝায় যাতে আরও দ্রাবক যোগ করলেও তাপের পরিবর্তন ঘটবে না। কঠিন আর্দ্র অক্সালিক এসিড (HOOC-COOH.2H₂O) পানিতে নিম্নরূপে দ্রবীভূত হয়ঃ

HOOC-COOH.2H₂O (s) + H₂O (1) → HOOC-COOH (aq) 𝛥Hsol = + দ্রবণ তাপ এ বিক্রিয়ার তাপ শোষিত হয় বলে এটি তাপহারী বিক্রিয়া। অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ নির্ণয়ের জন্য প্রথমে উপরোক্ত বিক্রিয়ায় শোষিত তাপের পরিমাণ (q) নির্ণয় করা হয় নিম্নের সমীকরণ ব্যবহার করেঃ

যেখানে m হলো দ্রাবক পানির ভর (কিলোগ্রাম), c হলো পানির আপেক্ষিক তাপ ধারকত্ব (4.18 কিলোজুল কিলোগ্রাম-১  কেলভিন-১) এবং 𝛥T হলো বিক্রিয়ায় তাপমাত্রার হ্রাস (কেলভিন)। ক্যালরিমিটারে যত মি.লি. পানি ব্যবহৃত হয় পানির ভর তত গ্রাম ধরা হয় (পানির ঘনমাত্রা 1 গ্রাম/মি.লি. ধরে), যেখান থেকে কিলোগ্রামে পানির ভর (m) নির্ণয় করা হয়। ক্যালরিমিটারে পানি নিয়ে তাতে কঠিন অক্সালিক এসিড যোগ করলে নাড়লে তাপমাত্রার যে হ্রাস হয় (থার্মোমিটার দ্বারা নির্ণীত) তাই হলো 𝛥T.

পরিশেষে যোগকৃত আর্দ্র অক্সালিক এসিডের ওজন জেনে এর মোল সংখ্যা [মোল সংখ্যা = গৃহীত ওজন (গ্রাম) / আর্দ্র অক্সালিক এসিডের আণবিক ওজন (126 গ্রাম/মোল)] নির্ণয় করা হয়। q-কে প্রাপ্ত মোল সংখ্যা দ্বারা ভাগ করে বিক্রিয়ার এনথালপির পরিবর্তন নির্ণয় করা হয়।

বিক্রিয়াটিতে তাপ শোষিত হয়েছে বলে (+) চিহ্ন ব্যবহৃত হয়েছে।

(১) কাঁচের বীকারের মধ্যে তুলা দিয়ে এর মধ্যে প্লাস্টিক কাপটি (অভাবে ডিসপোজেবল গ্লাস) স্থাপন কর (চিত্র-২ক)।

(২) এবার বুরেটের মধ্যে পাতিত পানি নিয়ে সেখান থেকে 30 মি.লি. প্লাস্টিক কাপে ঢাল। (3D মি.লি. মাপক সিলিন্ডার দিয়েও মাপা যায়; তবে বুরেটের মাপ অধিক সঠিক। 10 মি.লি. পিপেট দিয়েও কাজটি সম্পন্ন করা যায়।)

(৩) একটি স্ট্যান্ডের সাথে সুতার সাহায্যে থার্মোমিটারকে এমনভাবে ঝোলাও যেন এর অগ্রভাগ প্লাস্টিক কাপের তলদেশ অপেক্ষা 0.5 সে.মি. উপরে থাকে। পানি ও পারদের তাপমাত্রা সাম্যাবস্থায় পৌঁছানোর জন্য 4 মিনিট অপেক্ষা করে তাপমাত্রা লিপিবদ্ধ কর। এটি প্রারম্ভিক তাপমাত্রা (T₁°C) হিসাবে বিবেচিত হয়।

(৪) একটি ওয়াচ গ্লাসে বা ওজন বোতলে (অভাবে শুষ্ক কাগজে) 3.5 থেকে 4.0 গ্রামের মধ্যে আর্দ্র অক্সালিক এসিড লও।

(৫) এবার একবারে সম্পূর্ণ অক্সালিক এসিড প্লাস্টিক কাপের পানির মধ্যে ঢাল ও কাঁচদন্ড দিয়ে সাবধানে নাড়।

(৬) দ্রবণকে ক্রমাগত সাবধানে নাড়তে থাকবে; কিন্তু চোখ থার্মোমিটারের রিডিং-এর উপর থাকবে।

(৭) সর্বনিম্ন তাপমাত্রা (T₂°C) লিপিবদ্ধ কর।

(৮) এবার (১) নং থেকে (৭) নং কাজগুলো ধারাবাহিকভাবে আরেকবার সম্পন্ন কর। তাপমাত্রার হ্রাসের গড় নাও।

ওয়াচ গ্লাসের ভর = 11.047 গ্রাম
ওয়াচ গ্লাস ও অক্সালিক এসিডের ভর = 14.661 গ্রাম
গৃহীত অক্সালিক এসিডের ভর= (14.661 - 11.047) গ্রাম = 3.614 গ্রাম
প্লাস্টিক কাপে গৃহীত পাতিত পানির আয়তন = 30.0 মি.লি.

পাতিত পানির ভর, m = 30.0 গ্রাম = 0.03 কিলোগ্রাম (পানির ঘনমাত্রা 1 গ্রাম / মি.লি. ধরে)

পানির আঃ তাপ ধারকত্ব, c = 4.18 কিলোজুল কিলোগ্রাম-১  কেলভিন-১

তাপমাত্রার হ্রাস, ΔΤ = 6.95 কেলভিন (পার্থক্য বলে কেলভিন ও °সে. সমান)

তাপশক্তির পরিবর্তন, q = 0.03 x 4.18 x 5.95 কিলোজুল = 0.7461 কিলোজুল

গৃহীত অক্সালিক এসিডের মোল সংখ্যা = গৃহীত ওজন (গ্রাম) / আণবিক ওজন (গ্রাম  মোল-১)

= 3.614 গ্রাম / 126 গ্রাম  মোল-১ = 0.0287 মোল

অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ, 𝛥Hsol = +0.7461 কিলোজুল / 0.0287 মোল= +25.99 কিলোজুল  মোল-১

31°C তাপমাত্রায় পানিতে আর্দ্র অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ = + 25.99 কিলোজুল  মোল-১।

ব্যাখা (Explanation): পোলার দ্রব অক্সালিক এসিডকে পোলার দ্রাবক পানিতে স্থাপন করলে দ্রব-দ্রাবক আকর্ষণ বল (salt-solvent interaction) কাজ করে। এর ফলে অক্সালিক এসিড পানির ডাইপোল দ্বারা পরিবেষ্টিত হয়ে দ্রবীভূত হয়। এ প্রক্রিয়াটি তাপহারী (endothermic) কেননা এতে পরিবেশ কর্তৃক তাপ শোষিত হয়। পরীক্ষায় দেখা গেল যে, 1. মোল অক্সালিক এসিড 25.99 কিলোজুল তাপ শোষণ করে, যা নির্দেশ করে পানিতে অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ + 25.99 কিলোজুল  মোল-১।

১) 30 মি.লি. মাপতে মাপক সিলিন্ডার ব্যবহার না করে বুরেট ব্যবহার শ্রেয়।

২) কাঁচের বা প্লাস্টিকের ছোট বীকারের বাইরে ভালো করে তুলা দিবে যেন Insulation ভালো হয় অর্থাৎ তাপের বিকিরণ কম হয়।

৩) এরূপ থার্মোমিটার ব্যবহার করা উত্তম যা 0.1°C পাঠ দেয় এবং এরূপ ব্যালান্স ব্যবহার করা উত্তম যা

0.001 গ্রাম রিডিং দেয়।

৪) অক্সালিক এসিড এমনভাবে ঢালবে যেন একটুকুও বাইরে পড়ে না যায়।

৫) কাঁচের বা প্লাস্টিকের ছোট বীকারে মিশ্রণের আলোড়ন দ্রুত ও সুষম হওয়া উচিত।

৬) থার্মোমিটার বীকারের গায়ে ঘর্ষণ করবে না। কাঁচদন্ড দিয়ে নাড়ানোর সময় লক্ষ্য রাখতে হবে যে,

কাঁচদন্ডটি যেন থার্মোমিটারকে আঘাত না করে; করলে থার্মোমিটারটি ভেঙে যেতে পারে।

৭) থার্মোমিটারের পাঠ নেওয়ার সময় সতর্ক থাকবে।

[জ্ঞাতব্যঃ ।) উপরের পরীক্ষণে আদর্শ মান থেকে কিছুটা কম মান পাওয়া যায়। কারণ এক্ষেত্রে ক্যালরিমিটার কর্তৃক গৃহীত তাপ বিবেচনা করা হয় নাই। ii) অপদ্রবের কারণে অক্সালিক এসিড সম্পূর্ণ দ্রবীভূত না হলে, ৪০ বা ৫০ মি.লি. পানি নিয়েও পরীক্ষণটি সম্পন্ন করা যায়।]

বিশেষ দ্রষ্টব্যঃ ১। তাপমাত্রা শুদ্ধিকরণঃ তাপমাত্রা শুদ্ধিকরণ করতে চাইলে প্রথম 4 মিনিটের তাপমাত্রা লিপিবদ্ধ কর। 4.5 মিনিটে নমুনা যোগ করবে এবং 0.5 মিনিট অন্তর অন্তর পাঠ নিবে ৪ মিনিট পর্যন্ত। সেক্ষেত্রে টেবিল-২-এ তাপমাত্রার পরিবর্তনের উপাত্তের হলে নিম্নের ছকটি প্রতিস্থাপন করবে। 

অতঃপর ছক কাগজে তাপমাত্রা (°C) বনাম সময় (মিনিট) লেখচিত্র অংকন করে (চিত্র-৩) সেখান থেকে T₁ ও T₂ নির্ণয় করে △T-এর মান বের করা যায়। প্রাপ্ত মান অধিক সঠিক।

২। 25°C তাপমাত্রায় পানিতে অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ = + 35.23 কিলোজুল  মোল-১।

৩। কক্ষ তাপমাত্রা পরিবর্তিত হলে বা অক্সালিক এসিডে অপদ্রব্য উপস্থিত থাকলে দ্রবণ তাপ পরিবর্তিত হতে পারে।

৪। ক্যালরিমিটার কর্তৃক গৃহীত তাপ বিবেচনা করলে নিম্নের সমীকরণ ব্যবহার করবেঃ শোষিত তাপের পরিমাণ, q = (m₁ c₁ + m₂ c₂) × △T কিলোজুল চিত্র-৩ঃ তাপমাত্রা শুদ্ধিকরণ। যেখানে, পাতিত পানির ভর, m₁ = 30.00 গ্রাম = 0.03 কিলোগ্রাম (পানির ঘনমাত্রা । গ্রাম / মি.লি. ধরে) কাঁচের বীকার, গ্লাসরড ও থার্মোমিটারের ভর, m₂ = 82.37 গ্রাম = 0.082 কিলোগ্রাম

পানির আপেক্ষিক তাপ ধারকত্ব, c₁ = 4.18 কিলোজুল কিলোগ্রাম-১ কেলভিন-১

কাঁচের আপেক্ষিক তাপ ধারকত্ব, c₂ = 0.75 কিলোজুল কিলোগ্রাম-১  কেলভিন-১

তাপমাত্রার হ্রাস, △T = 5.85 কেলভিন (পার্থক্য বলে কেলভিন ও °সে. সমান)

তাপশক্তির পরিবর্তন, q = (0.03 × 4.18 + 0.082 × 0.75) × 5.85 কিলোজুল = 1.093 কিলোজুল

গৃহীত অক্সালিক এসিডের মোল সংখ্যা = গৃহীত ওজন (গ্রাম) / আণবিক ওজন (গ্রাম মোল-১)

= 3.614 গ্রাম / 126 গ্রাম মোল-১

অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ, ∆H = +1.093 কিলোজুল / 0.029 মোল = +37.69 কিলোজুল  মোল-১