দ্রবণীকরণ

দ্রবণ হল একটি দ্রাবকের সাথে দ্রবীভূত অণুর মিথস্ক্রিয়া। আয়নিত এবং অচার্জিত উভয় অণুই একটি দ্রাবকের সাথে দৃঢ়ভাবে মিথস্ক্রিয়া করে এবং এই মিথস্ক্রিয়ার শক্তি এবং প্রকৃতি দ্রবের অনেক বৈশিষ্ট্যকে প্রভাবিত করে, যার মধ্যে রয়েছে দ্রবণীয়তা, প্রতিক্রিয়াশীলতা এবং রঙ, সেইসাথে দ্রাবকের বৈশিষ্ট্য যেমন সান্দ্রতা এবং ঘনত্বকে প্রভাবিত করে। যদি দ্রাবক এবং দ্রবীভূত কণার মধ্যে আকর্ষণ শক্তি দ্রবীভূত কণাগুলিকে একত্রে ধরে রাখা আকর্ষণ শক্তির চেয়ে বেশি হয়, তাহলে দ্রাবক কণাগুলি দ্রবীভূত কণাগুলিকে আলাদা করে এবং তাদের ঘিরে ফেলে। পরিবেষ্টিত দ্রবীভূত কণাগুলি তখন কঠিন দ্রবণ থেকে দূরে সরে যায় এবং দ্রবণে প্রবেশ করে। আয়নগুলি দ্রাবকের সমকেন্দ্রিক শেল দ্বারা বেষ্টিত থাকে। দ্রবণ হল দ্রাবক এবং দ্রবীভূত অণুগুলিকে দ্রবণ কমপ্লেক্সে পুনর্গঠন করার প্রক্রিয়া এবং এতে বন্ধন গঠন, হাইড্রোজেন বন্ধন এবং ভ্যান ডার ওয়ালস বল জড়িত। জল দ্বারা দ্রবের দ্রবণকে হাইড্রেশন বলা হয়।
কঠিন যৌগের দ্রবণীয়তা জাল শক্তি এবং দ্রবণ এর মধ্যে প্রতিযোগিতার উপর নির্ভর করে, দ্রাবক কাঠামোর পরিবর্তনের সাথে সম্পর্কিত এনট্রপি প্রভাব সহ।
একটি আন্তর্জাতিক বিশুদ্ধ ও ফলিত রসায়ন সংস্থা সংজ্ঞা অনুসারে, দ্রবণ হল দ্রাবকের সাথে দ্রবের মিথস্ক্রিয়া, যা দ্রবণে দ্রবীভূত প্রজাতির স্থিতিশীলতার দিকে পরিচালিত করে। দ্রবীভূত অবস্থায়, দ্রবণে একটি আয়ন বা অণু দ্রাবক অণু দ্বারা বেষ্টিত বা জটিল হয়। দ্রবীভূত প্রজাতিগুলিকে প্রায়শই সমন্বয় সংখ্যা দ্বারা বর্ণনা করা যেতে পারে এবং জটিল স্থিতিশীলতা ধ্রুবক। দ্রবণ মিথস্ক্রিয়ার ধারণাটি অদ্রবণীয় পদার্থের ক্ষেত্রেও প্রয়োগ করা যেতে পারে, উদাহরণস্বরূপ, আয়ন-বিনিময় রজনের পৃষ্ঠের কার্যকরী গোষ্ঠীর দ্রবণ।
দ্রবণ, ধারণাগতভাবে, দ্রবণীয়তা থেকে ভিন্ন। দ্রবণ বা দ্রবীভূতকরণ একটি গতিশীল প্রক্রিয়া এবং এর হার দ্বারা পরিমাপ করা হয়। দ্রবণীয়তা গতিশীল সাম্যাবস্থা অবস্থাকে পরিমাপ করে যখন দ্রবীভূত হওয়ার হার বৃষ্টিপাতের হারের সমান হয়। এককগুলির বিবেচনা পার্থক্যটিকে আরও স্পষ্ট করে তোলে। দ্রবীভূত হওয়ার হারের সাধারণ একক হল mol/s। দ্রবণীয়তার একক একটি ঘনত্ব প্রকাশ করে: প্রতি একক আয়তনে ভর (mg/mL), মোলারিটি (mol/L), ইত্যাদি।
দ্রবণে বিভিন্ন ধরণের আন্তঃআণবিক মিথস্ক্রিয়া জড়িত:
এই বলগুলির কোনটি কার্যকর হবে তা দ্রাবক এবং দ্রবের আণবিক গঠন এবং বৈশিষ্ট্যের উপর নির্ভর করে। দ্রাবক এবং দ্রবের মধ্যে এই বৈশিষ্ট্যগুলির সাদৃশ্য বা পরিপূরক চরিত্র নির্ধারণ করে যে কোনও দ্রাবক কোনও নির্দিষ্ট দ্রাবককে কতটা ভালভাবে দ্রবীভূত করতে পারে।
কোনও নির্দিষ্ট দ্রাবক কোনও নির্দিষ্ট দ্রাবককে কতটা ভালভাবে দ্রবীভূত করে তা নির্ধারণের ক্ষেত্রে দ্রাবকের পোলারিটি সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ বিষয়। ধ্রুবীয় দ্রাবকগুলির আণবিক ডাইপোল থাকে, যার অর্থ দ্রাবক অণুর একটি অংশের অন্য অংশের চেয়ে বেশি ইলেকট্রন ঘনত্ব থাকে। যে অংশের বেশি ইলেকট্রন ঘনত্ব থাকে সেটি আংশিক ঋণাত্মক চার্জ অনুভব করবে যখন যে অংশের কম ইলেকট্রন ঘনত্ব থাকে সেটি আংশিক ধনাত্মক চার্জ অনুভব করবে। ধ্রুবীয় দ্রাবক অণুগুলি ধ্রুবীয় দ্রাবক এবং আয়নগুলিকে দ্রবীভূত করতে পারে কারণ তারা তড়িৎ আকর্ষণের মাধ্যমে অণুর উপযুক্ত আংশিকভাবে চার্জিত অংশটিকে দ্রবের দিকে ওরিয়েন্ট করতে পারে। এটি সিস্টেমকে স্থিতিশীল করে এবং দ্রবের প্রতিটি কণার চারপাশে একটি দ্রবণ আবরণ (বা জলের ক্ষেত্রে হাইড্রেশন শেল) তৈরি করে। দ্রবের কণার নিকটবর্তী দ্রাবক অণুগুলির প্রায়শই বাকি দ্রাবকের চেয়ে অনেক আলাদা ক্রম থাকে এবং ভিন্নভাবে অর্ডার করা দ্রাবক অণুগুলির এই অঞ্চলটিকে সাইবোট্যাকটিক অঞ্চল বলা হয়। জল হল সবচেয়ে সাধারণ এবং বহুল আলোচিত ধ্রুবীয় দ্রাবক, তবে ইথানল, মিথানল, অ্যাসিটোন, অ্যাসিটোননাইট্রাইল এবং ডাইমিথাইল সালফক্সাইডের মতো আরও অনেকগুলি বিদ্যমান। ধ্রুবীয় দ্রাবকগুলিতে প্রায়শই একটি উচ্চ ডাইলেট্রিক ধ্রুবক থাকে, যদিও দ্রাবকের পোলারিটি শ্রেণিবদ্ধ করার জন্য অন্যান্য দ্রাবক স্কেলও ব্যবহৃত হয়। ধ্রুবীয় দ্রাবকগুলি লবণ হিসাবে অজৈব বা আয়নিক যৌগগুলিকে দ্রবীভূত করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। কোনও দ্রবণের পরিবাহিতা এর আয়নগুলির দ্রবণ এর উপর নির্ভর করে। অধ্রুবীয় দ্রাবক আয়নগুলিকে দ্রবীভূত করতে পারে না এবং আয়নগুলি আয়ন জোড়া হিসাবে পাওয়া যাবে।
দ্রাবক এবং দ্রবীভূত অণুগুলির মধ্যে হাইড্রোজেন বন্ধন প্রতিটি এইচ-বন্ধন গ্রহণ করতে, এইচ-বন্ধন দান করতে বা উভয়ই করতে সক্ষমতার উপর নির্ভর করে। যে দ্রাবকগুলি এইচ-বন্ধন দান করতে পারে সেগুলিকে প্রোটিক হিসাবে উল্লেখ করা হয়, যখন যে দ্রাবকগুলিতে হাইড্রোজেন পরমাণুর সাথে একটি মেরুকৃত বন্ধন থাকে না এবং হাইড্রোজেন বন্ধন দান করতে পারে না সেগুলিকে অ্যাপ্রোটিক বলা হয়। এইচ-বন্ধন দাতা ক্ষমতা একটি স্কেলে (α) শ্রেণীবদ্ধ করা হয়। প্রোটিক দ্রাবকগুলি হাইড্রোজেন বন্ধন গ্রহণ করতে পারে এমন দ্রাবককে দ্রবীভূত করতে পারে। একইভাবে, যে দ্রাবকগুলি হাইড্রোজেন বন্ধন গ্রহণ করতে পারে তারা এইচ-বন্ধন-দানকারী দ্রাবককে দ্রবীভূত করতে পারে। দ্রাবকের হাইড্রোজেন বন্ধন গ্রহণ করার ক্ষমতা একটি স্কেলে (β) শ্রেণীবদ্ধ করা হয়।
এই প্রক্রিয়াটি তাপগতীয় দৃষ্টিকোণ থেকে শুধুমাত্র তখনই উপকারী হবে যদি দ্রবণের মোট গিবস শক্তি কমে যায়, পৃথক দ্রাবক এবং কঠিন (অথবা গ্যাস বা তরল) এর গিবস শক্তির তুলনায়। এর মানে হল যে এনথালপি তে পরিবর্তন মাইনাস এন্ট্রপি তে পরিবর্তন (অবশ্যিক তাপমাত্রা দ্বারা গুণিত) একটি নেতিবাচক মান হবে, অথবা সিস্টেমের গিবস শক্তি কমে যাবে। একটি নেতিবাচক গিবস শক্তি একটি স্বতঃস্ফূর্ত প্রক্রিয়া নির্দেশ করে তবে দ্রবীভূত হওয়ার গতি সম্পর্কে কোনো তথ্য প্রদান করে না।
এই প্রক্রিয়ায় বিভিন্ন ধাপ থাকে, প্রতিটি ধাপের শক্তি ফলস্বরূপ আলাদা। প্রথমে, দ্রাবকের মধ্যে একটি গহ্বর তৈরি করতে হবে যাতে দ্রাব্য পদার্থ স্থান পায়। এটি এনথ্রোপিক এবং এনথালপিকভাবে অনুকূল নয়, কারণ দ্রাবক সাজানো বাড়ে এবং দ্রাবক-দ্রাবক পারস্পরিক ক্রিয়া কমে যায়। দ্রাবক অণুগুলির মধ্যে শক্তিশালী ক্রিয়া গহ্বর গঠনের জন্য একটি বৃহত্তর এনথালপিক জরিমানা সৃষ্টি করে। পরবর্তীতে, একটি দ্রাব্য কণাকে ভর থেকে আলাদা করতে হবে। এটি এনথালপিকভাবে অনুকূল নয়, কারণ দ্রাব্য-দ্রাব্য পারস্পরিক ক্রিয়া কমে যায়, তবে যখন দ্রাব্য কণা গহ্বরে প্রবেশ করে, তখন দ্রাবক-দ্রাব্য পারস্পরিক ক্রিয়া এনথালপিকভাবে অনুকূল হয়। শেষ পর্যন্ত, যখন দ্রাব্য দ্রাবকের মধ্যে মিশে যায়, তখন একটি এন্ট্রপি লাভ হয়।
এনথালপি এর সমাধান হলো সমাধান এনথালপি মাইনাস পৃথক সিস্টেমগুলির এনথালপি, যেখানে সমাধানের এন্ট্রপি হলো সংশ্লিষ্ট এন্ট্রপি তে পরিবর্তন। দ্রাব্যতা শক্তি (গিবস মুক্ত শক্তিতে পরিবর্তন) হলো এনথালপি তে পরিবর্তন মাইনাস তাপমাত্রা (কেলভিনে) গুণিত এন্ট্রপি তে পরিবর্তন। গ্যাসগুলির দ্রাব্যতা এন্ট্রপি নেতিবাচক হয়, কারণ গ্যাস দ্রবীভূত হওয়ার সাথে সাথে গ্যাসীয় ভলিউম কমে যায়। যেহেতু তাদের সমাধান এনথালপি তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে খুব বেশি কমে না, এবং তাদের দ্রাব্যতা এন্ট্রপি নেতিবাচক এবং তাপমাত্রার সাথে উল্লেখযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হয় না, বেশিরভাগ গ্যাস উচ্চ তাপমাত্রায় কম দ্রবীভূত হয়।
দ্রাব্যতার এনথালপি কিছু আয়নিক ল্যাটিসের মধ্যে দ্রাব্যতা কেন ঘটে তা ব্যাখ্যা করতে সাহায্য করতে পারে, কিন্তু অন্য কিছু আয়নিক ল্যাটিসের মধ্যে নয়। সেই শক্তির পার্থক্য যা আয়নটিকে তার ল্যাটিস থেকে মুক্তি দিতে প্রয়োজন এবং যখন এটি একটি দ্রাবক অণুর সাথে মিলিত হয় তখন মুক্তি পাওয়া শক্তি তাকে এনথালপি পরিবর্তন বলে পরিচিত। একটি নেতিবাচক এনথালপি পরিবর্তন কোনো আয়নকে দ্রবীভূত হওয়ার সম্ভাবনা বাড়ায়, যেখানে উচ্চ ইতিবাচক এনথালপি পরিবর্তনের ক্ষেত্রে আয়নটির দ্রবীভূত হওয়া সম্ভব নয়। তবে, কোনো আয়ন ইতিবাচক এনথালপি মানসহও দ্রবীভূত হতে পারে, যদি এন্ট্রপির বৃদ্ধি অতিরিক্ত প্রয়োজনীয় শক্তি সরবরাহ করে। এন্ট্রপির ভূমিকার কারণে নির্দিষ্টভাবে পূর্বানুমান করা কঠিন যে কোনো পদার্থ দ্রবীভূত হবে কি না। দ্রাবকের দ্রাব্যতা শক্তি পরিমাপের একটি পরিমাণগত সূচক হলো ডোনর নম্বর।
যদিও প্রাথমিক ধারণা ছিল যে একটি ক্যাটায়নের আয়ন চার্জ এবং আয়নিক রেডিয়াস এর অনুপাত, বা চার্জ ঘনত্ব, বেশি হলে দ্রাব্যতা বেশি হবে, তবে এটি পর্যালোচনা করে দেখা যায় যে আয়নগুলো যেমন লোহা(৩) বা ল্যানথানাইড এবং অ্যাকটিনাইড গুলি, সহজেই জলীয় অক্সাইডে পরিণত হয়, যা অবরুদ্ধ (হাইড্রোস) অক্সাইড তৈরি করে। যেহেতু এগুলি কঠিন, এটি স্পষ্ট যে এগুলি দ্রাব্য নয়।
শক্তিশালী দ্রাবক-দ্রাবক পারস্পরিক ক্রিয়া দ্রাব্যতা প্রক্রিয়াটিকে আরও উপকারী করে তোলে। একটি দ্রাবকটিতে দ্রাব্য পদার্থের দ্রবীভূত হওয়ার অনুকূলতা তুলনা করার একটি উপায় হলো মুক্ত শক্তির স্থানান্তর বিবেচনা করা। মুক্ত শক্তির স্থানান্তর মাপিয়ে দেয় দুটি আলাদা দ্রাবকগুলিতে দ্রাব্য পদার্থের অনুকূল শক্তির পার্থক্য। এই মানটি মূলত দ্রাব্যতা শক্তির তুলনা করার জন্য ব্যবহৃত হয়, যেখানে দ্রাব্য-দ্রাবক পারস্পরিক ক্রিয়া অন্তর্ভুক্ত হয় না।
সাধারণভাবে, সমাধানের তাপগতীয় বিশ্লেষণ প্রতিক্রিয়া হিসেবে মডেলিং করে করা হয়। উদাহরণস্বরূপ, যদি আপনি সোডিয়াম ক্লোরাইড পানি মেশান, তাহলে লবণটি আয়ন সোডিয়াম(+aq) এবং ক্লোরাইড(-aq) এ বিভক্ত হবে। এই বিচ্ছিন্নতার জন্য সাম্য স্থিরাঙ্ক এই প্রতিক্রিয়াটির গিবস শক্তি পরিবর্তন দ্বারা পূর্বাভাস করা যেতে পারে।
বর্ণ সমীকরণ গ্যাসীয় আয়নের দ্রাব্যতা গিবস মুক্ত শক্তি আনুমানিক করার জন্য ব্যবহৃত হয়।
সাম্প্রতিক সিমুলেশন অধ্যয়নগুলি দেখিয়েছে যে আয়ন এবং পারিপার্শ্বিক জল অণুগুলির মধ্যে দ্রাব্যতা শক্তির পরিবর্তন হফমেইস্টার সিরিজ এর যান্ত্রিকতা সমর্থন করে।