পাঠ ৯ / ১১অনুচ্ছেদ ২.১৩, ২.১৩.১

আয়ন শনাক্তকরণ ল্যাবDetecting cations and anions — the qualitative analysis practical

ল্যাবের তাকে তিনটি লেবেলহীন বয়াম, প্রতিটিতে সাদা গুঁড়া। একটিতে খাবার লবণ (table salt), একটিতে কাপড় কাচা সোডা (washing soda), একটিতে নিশাদল (sal ammoniac)। চেখে দেখবে? কখনোই না — ল্যাবের কোনো রাসায়নিক (chemical) মুখে দেওয়া যায় না। তাহলে উপায়? নিচে নিজে গোয়েন্দাগিরি করে দেখো:

কয়েকটি বিকারক (reagent) দিয়েই তুমি তিনটি গুঁড়া চিনে ফেললে। কিন্তু যেকোনো অজানা লবণের (unknown salt) বেলায় কোন বিকারক আগে দেবে, কী দেখলে কী বুঝবে? এই পাঠে সেই পুরো পদ্ধতিটি — গুণগত বিশ্লেষণ (qualitative analysis) — শিখব:

1. লবণ (salt) ও তার আয়ন (ion) — ক্যাটায়ন (cation) আর অ্যানায়ন (anion)
2. প্রথম কাজ: পানিতে দ্রাব্যতা (solubility) পরীক্ষা ও পরীক্ষণীয় দ্রবণ (test solution) তৈরি
3. বিকারক যোগের কৌশল — কয়েক ফোঁটা (few drops) বনাম আধিক্য (excess)
4. ক্যাটায়নের সিক্ত পরীক্ষা (wet tests): Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Ca²⁺, Na⁺, NH₄⁺
5. অ্যানায়নের পরীক্ষা: Cl⁻, SO₄²⁻, CO₃²⁻
6. শনাক্তকরণের ছক (flow chart), বিকারক আর ব্যবহারিক খাতা (practical notebook) লেখার নিয়ম
7. এবার নিজে করে দেখো — ভার্চুয়াল ল্যাব (virtual lab)

ধাপ ১: লবণ ও তার আয়ন

অ্যাসিডের (acid) প্রতিস্থাপনীয় হাইড্রোজেন (replaceable hydrogen) ধাতু (metal) বা $\ce{NH4+}$ দিয়ে প্রতিস্থাপিত হলে লবণ (salt) তৈরি হয়। সব H প্রতিস্থাপিত হলে পূর্ণ লবণ (normal salt) — যেমন NaCl, ZnSO₄, Na₂CO₃; আংশিক হলে অম্লীয় লবণ (acid salt) — যেমন NaHSO₄, NaHCO₃।

পানিতে লবণ আয়নে ভেঙে যায়: $\ce{ZnSO4(aq) -> Zn^2+(aq) + SO4^2-(aq)}$। ধনাত্মক আয়ন (positive ion) বিদ্যুৎ চালনার সময় ক্যাথোডের (cathode) দিকে যায়, তাই এর নাম ক্যাটায়ন (cation); ঋণাত্মক আয়ন (negative ion) অ্যানোডের (anode) দিকে যায় — অ্যানায়ন (anion)। লবণ চেনা মানে তার ক্যাটায়ন আর অ্যানায়ন চেনা।

প্রতিটি আয়ন কিছু নির্দিষ্ট বিকারকের (reagent) সঙ্গে নিজস্ব বৈশিষ্ট্যপূর্ণ ফল দেয়: নির্দিষ্ট রঙের অধঃক্ষেপ (precipitate), রঙিন জটিল আয়ন (complex ion), বা কোনো গ্যাস। অধঃক্ষেপ কখন পড়ে, তা আগের পাঠেই শিখেছ — যখন আয়নিক গুণফল (ionic product) $Q$ দ্রাব্যতা গুণফল (solubility product) $K_{sp}$-এর চেয়ে বড় হয় (দ্রাব্যতা ও Ksp পাঠ)।

ধাপ ২: পানিতে দ্রাব্যতা পরীক্ষা ও পরীক্ষণীয় দ্রবণ

একটি টেস্টটিউবে (test tube) অল্প নমুনা (sample; চামচের আগায় যতটুকু ওঠে) আর 4–5 mL পানি নিয়ে ঝাঁকাও। না গললে আলতো গরম করো। তবুও না গললে লঘু (dilute) HCl-এ গলানোর চেষ্টা করো। যে দ্রবণে পরীক্ষাগুলো করা হবে, তাকে বলে পরীক্ষণীয় দ্রবণ (test solution); প্রতিটি পরীক্ষায় 1–2 mL নেওয়া হয়।

পাঠ্যসূচির আয়নগুলোর লবণ পানিতে কেমন গলে (✓ দ্রবণীয় (soluble), ~ সামান্য দ্রবণীয় (sparingly soluble), ✗ পানিতে অদ্রবণীয় (insoluble) কিন্তু লঘু HCl-এ বুদবুদসহ (effervescence) গলে, — যৌগটি (compound) স্থায়ীভাবে তৈরিই হয় না):

মনে রাখার নিয়ম: Na⁺, K⁺, NH₄⁺-এর সব লবণ আর সব নাইট্রেট (nitrate) পানিতে দ্রবণীয়; কার্বনেটের মধ্যে শুধু এদেরগুলোই দ্রবণীয়। CaSO₄ সামান্য দ্রবণীয় (100 g পানিতে মাত্র ~0.2 g)।

দুটি জিনিস প্রথমেই লক্ষ করো:

• দ্রবণের রং — প্রথম সূত্র: নীল হলে Cu²⁺, হালকা সবুজ হলে Fe²⁺, হলুদাভ বাদামি হলে Fe³⁺। বাকি পাঁচটির দ্রবণ বর্ণহীন।
• লঘু HCl-এ গলালে সাবধান! অদ্রবণীয় কার্বনেট HCl-এ বুদবুদসহ গলে — সেই বুদবুদই CO₃²⁻-এর প্রমাণ। কিন্তু তখন দ্রবণে HCl-এর $\ce{Cl-}$ এসে যায়, আর $\ce{CO3^2-}$ চলে যায় CO₂ হয়ে। এই দ্রবণে Cl⁻-এর পরীক্ষা মূল লবণ সম্পর্কে কিছুই বলে না।

শিখা পরীক্ষা (flame test, আগের অনুচ্ছেদ): গাঢ় (concentrated) HCl-এ ভেজানো প্লাটিনাম তারে (platinum wire) নমুনা নিয়ে বুনসেন শিখায় (Bunsen flame) ধরলে Na⁺ সোনালি হলুদ, Ca²⁺ ইটের মতো লাল, Cu²⁺ নীলাভ সবুজ শিখা দেয়।

ধাপ ৩: কয়েক ফোঁটা বনাম আধিক্য

NaOH আর NH₄OH-এর মতো বিকারক প্রথমে কয়েক ফোঁটা দিতে হয়, তারপর আধিক্যে (in excess)। কারণ কিছু হাইড্রক্সাইড (hydroxide) অধঃক্ষেপ আধিক্য বিকারকে আবার গলে যায়:

• অ্যাম্ফোটেরিক হাইড্রক্সাইড (amphoteric hydroxide) — Al(OH)₃ ও Zn(OH)₂ অ্যাসিড ও ক্ষার (alkali) দুটির সঙ্গেই বিক্রিয়া (reaction) করে। অতিরিক্ত NaOH-এ এরা $\ce{[Al(OH)4]-}$ আর $\ce{[Zn(OH)4]^2-}$ হয়ে গলে যায়।
• অ্যামিন জটিল আয়ন (ammine complex) — অতিরিক্ত NH₃ (NH₄OH) Cu²⁺ ও Zn²⁺-এর সঙ্গে $\ce{[Cu(NH3)4]^2+}$ (গাঢ় নীল) আর $\ce{[Zn(NH3)4]^2+}$ (বর্ণহীন) তৈরি করে, তাই এদের অধঃক্ষেপও গলে যায়। Al³⁺ ও Fe³⁺ এমন জটিল আয়ন বানায় না।

ফোঁটা ফোঁটা করে নিজে দেখো — আয়ন আর বিকারক বদলে বদলে:

ধাপ ৪: ক্যাটায়নের সিক্ত পরীক্ষা

প্রতিটি আয়নের জন্য প্রথমে একটি সাধারণ পরীক্ষা, তারপর নিশ্চিতকরণ পরীক্ষা (confirmatory test)। নিচের সব সমীকরণ আয়নিক (ionic equation)।

Cu²⁺ (কপার(II) আয়ন, copper(II) ion) — দ্রবণ নীল

• NH₄OH: কয়েক ফোঁটায় হালকা নীল অধঃক্ষেপ; আধিক্যে গলে গিয়ে গাঢ় নীল দ্রবণ। $\ce{Cu^2+ + 2NH4OH -> Cu(OH)2 v + 2NH4+}$, তারপর $\ce{Cu(OH)2 + 4NH4OH -> [Cu(NH3)4]^2+ + 2OH- + 4H2O}$
• K₄[Fe(CN)₆] (নিশ্চিতকরণ): চকলেট / লালচে-বাদামি অধঃক্ষেপ। $\ce{2Cu^2+ + [Fe(CN)6]^4- -> Cu2[Fe(CN)6] v}$
• NaOH দিলে হালকা নীল Cu(OH)₂, যা আধিক্যে গলে না, গরম করলে কালো CuO হয়।

Fe²⁺ (ফেরাস আয়ন, ferrous ion) — দ্রবণ হালকা সবুজ

• NaOH বা NH₄OH: ময়লা সবুজ Fe(OH)₂ অধঃক্ষেপ; বাতাসে ওপরের অংশ ধীরে ধীরে বাদামি হয় (জারিত হয়ে, oxidised to Fe(OH)₃)। $\ce{Fe^2+ + 2OH- -> Fe(OH)2 v}$
• K₃[Fe(CN)₆] (নিশ্চিতকরণ): গাঢ় নীল অধঃক্ষেপ — টার্নবুলস ব্লু (Turnbull’s blue)। $\ce{K+ + Fe^2+ + [Fe(CN)6]^3- -> KFe[Fe(CN)6] v}$

Fe³⁺ (ফেরিক আয়ন, ferric ion) — দ্রবণ হলুদাভ বাদামি

• NaOH বা NH₄OH: লালচে বাদামি জেলির মতো (gelatinous) Fe(OH)₃; আধিক্যে গলে না। $\ce{Fe^3+ + 3NH4OH -> Fe(OH)3 v + 3NH4+}$
• K₄[Fe(CN)₆]: গাঢ় নীল অধঃক্ষেপ — প্রুশিয়ান ব্লু (Prussian blue)। $\ce{4Fe^3+ + 3[Fe(CN)6]^4- -> Fe4[Fe(CN)6]3 v}$
• NH₄SCN (নিশ্চিতকরণ): দ্রবণ রক্ত-লাল। $\ce{Fe^3+ + SCN- -> [Fe(SCN)]^2+}$

Fe²⁺ আর Fe³⁺ আলাদা করার সারসংক্ষেপ:

Al³⁺ (অ্যালুমিনিয়াম আয়ন, aluminium ion) — বর্ণহীন

• NaOH: সাদা জেলির মতো (gelatinous) Al(OH)₃; আধিক্যে গলে যায়। $\ce{Al^3+ + 3OH- -> Al(OH)3 v}$, $\ce{Al(OH)3 + OH- -> [Al(OH)4]-}$
• NH₄OH (পার্থক্যকারী): একই সাদা অধঃক্ষেপ, কিন্তু আধিক্যে গলে না। $\ce{Al^3+ + 3NH4OH -> Al(OH)3 v + 3NH4+}$

Zn²⁺ (জিংক আয়ন, zinc ion) — বর্ণহীন

• NaOH: সাদা Zn(OH)₂, আধিক্যে গলে: $\ce{Zn(OH)2 + 2OH- -> [Zn(OH)4]^2-}$
• NH₄OH: সাদা অধঃক্ষেপ, আধিক্যে এটিও গলে: $\ce{Zn(OH)2 + 4NH4OH -> [Zn(NH3)4]^2+ + 2OH- + 4H2O}$
• K₄[Fe(CN)₆] (নিশ্চিতকরণ): সাদা অধঃক্ষেপ। $\ce{3Zn^2+ + 2K+ + 2[Fe(CN)6]^4- -> K2Zn3[Fe(CN)6]2 v}$

Ca²⁺ (ক্যালসিয়াম আয়ন, calcium ion) — বর্ণহীন

• অ্যামোনিয়াম অক্সালেট (ammonium oxalate) (নিশ্চিতকরণ): সাদা মিহি অধঃক্ষেপ, যা অ্যাসিটিক অ্যাসিডে (acetic acid) গলে না কিন্তু লঘু HCl-এ গলে। $\ce{Ca^2+ + C2O4^2- -> CaC2O4 v}$
• শিখা পরীক্ষা: ইটের মতো লাল। NaOH দিলে বড়জোর সামান্য সাদা ঘোলা ভাব; NH₄OH দিলে কোনো নির্ভরযোগ্য অধঃক্ষেপ পড়ে না।

Na⁺ (সোডিয়াম আয়ন, sodium ion) — বর্ণহীন

প্রায় সব সোডিয়াম লবণ (sodium salt) দ্রবণীয়, তাই অধঃক্ষেপ পরীক্ষা কম।

• শিখা পরীক্ষা: উজ্জ্বল, স্থায়ী সোনালি হলুদ শিখা।
• পটাসিয়াম পাইরোঅ্যান্টিমোনেট (potassium pyroantimonate) K[Sb(OH)₆] (নিশ্চিতকরণ): ঠান্ডা, নিরপেক্ষ দ্রবণে (neutral solution) টেস্টটিউবের দেয়াল কাচদণ্ড (glass rod) দিয়ে ঘষলে ধীরে সাদা দানাদার (crystalline) অধঃক্ষেপ। $\ce{Na+ + [Sb(OH)6]- -> Na[Sb(OH)6] v}$

NH₄⁺ (অ্যামোনিয়াম আয়ন, ammonium ion) — বর্ণহীন

• NaOH দিয়ে গরম করো: ঝাঁঝালো গন্ধের (pungent) NH₃ গ্যাস বের হয়, যা মুখে ধরা ভেজা লাল লিটমাসকে (moist red litmus) নীল করে (গাঢ় HCl-এ ভেজানো কাচদণ্ড ধরলে সাদা ধোঁয়া NH₄Cl)। $\ce{NH4+ + OH- ->[\Delta] NH3 ^ + H2O}$
• নেসলার দ্রবণ (Nessler’s reagent) (নিশ্চিতকরণ): বাদামি অধঃক্ষেপ (খুব লঘু হলে হলদে-বাদামি রং)। $\ce{NH4+ + 2[HgI4]^2- + 4OH- -> HgO.Hg(NH2)I v + 7I- + 3H2O}$

এক নজরে সব রং (প্রতিটি ঘর বিক্রিয়া-সারণি (reaction table) থেকে তৈরি):

ধাপ ৫: অ্যানায়নের পরীক্ষা

Cl⁻ (ক্লোরাইড আয়ন, chloride ion)

পরীক্ষণীয় দ্রবণকে লঘু HNO₃ দিয়ে অম্লীয় করে (acidify) AgNO₃ দাও: সাদা, দধির মতো (curdy) AgCl অধঃক্ষেপ, যা HNO₃-এ গলে না কিন্তু NH₄OH-এ সহজে গলে।

HNO₃ কেন? এটি কার্বনেটকে আগেই CO₂ হিসেবে সরিয়ে দেয় (নইলে Ag₂CO₃-এর অধঃক্ষেপ বিভ্রান্ত করত), আর এতে কোনো Cl⁻ নেই। HCl দিলে চলবে না — HCl নিজেই Cl⁻ যোগ করে, তখন যেকোনো দ্রবণেই সাদা অধঃক্ষেপ পড়বে।

SO₄²⁻ (সালফেট আয়ন, sulfate ion)

BaCl₂ বা Ba(NO₃)₂ দাও: সাদা BaSO₄ অধঃক্ষেপ, যা লঘু HCl-এ গলে না। (কার্বনেট থাকলে BaCO₃-ও সাদা, কিন্তু সেটি HCl-এ বুদবুদসহ গলে যায় — এভাবেই দুটি আলাদা করা যায়।)

CO₃²⁻ (কার্বনেট আয়ন, carbonate ion)

লঘু HCl (বা যেকোনো লঘু অ্যাসিড) দিলে বুদবুদসহ (effervescence) বর্ণহীন, গন্ধহীন গ্যাস বের হয়। গ্যাসটি চুনের পানিতে (lime water) চালনা করলে চুনের পানি দুধের মতো ঘোলা হয়। বেশিক্ষণ CO₂ চালালে ঘোলা ভাব আবার মিলিয়ে যায় (দ্রবণীয় Ca(HCO₃)₂ তৈরি হয়)।

ধাপ ৬: শনাক্তকরণের ছক, বিকারক ও ব্যবহারিক খাতা

পুরো পদ্ধতিটি একটি ছকে:

পাঠ্যসূচির বিশেষ বিকারকগুলো (শিক্ষক আগে থেকে তৈরি করে রাখেন):

নেসলার দ্রবণ তৈরি: HgCl₂ দ্রবণে KI দিলে প্রথমে লাল HgI₂ অধঃক্ষেপ পড়ে, আরও KI দিলে তা গলে বর্ণহীন K₂[HgI₄] হয়; তারপর NaOH/KOH মিশিয়ে ক্ষারীয় (alkaline) করা হয়। পারদের (mercury) যৌগ বিষাক্ত — এটি শুধু শিক্ষক তৈরি করবেন।

ব্যবহারিক খাতা (practical notebook) লেখার নিয়ম — তিন কলাম: পরীক্ষা (test), পর্যবেক্ষণ (observation), সিদ্ধান্ত (inference)। যেমন নীল দানাদার একটি লবণের জন্য:

ফলাফল: ক্যাটায়ন Cu²⁺, অ্যানায়ন SO₄²⁻ — লবণটি CuSO₄·5H₂O (তুঁতে, blue vitriol)। প্রতিটি পরীক্ষার পর সংশ্লিষ্ট আয়নিক সমীকরণ লিখতে হয়।

ধাপ ৭: এবার নিজে করে দেখো

ভার্চুয়াল ল্যাবে প্রতিবার একটি অজানা লবণ (unknown salt) পাবে:

1. লবণটির রং ও আকৃতি দেখো, তারপর পানিতে দ্রবীভূত করো (না গললে লঘু HCl-এ)। চাইলে শিখা পরীক্ষাও করো।
2. একটি টেস্টটিউব বেছে বিকারক দাও। প্রথমে কয়েক ফোঁটা, তারপর দরকার হলে আধিক্যে, গরম করা, লিটমাস বা চুনের পানি — যে পরবর্তী ধাপগুলো সম্ভব সেগুলোর বোতাম আসবে। নতুন পরীক্ষার জন্য নতুন টেস্টটিউব নাও।
3. সাহায্য (helper) চালু থাকলে প্রতিটি পর্যবেক্ষণের পর যে আয়নগুলো আর সম্ভব নয়, সেগুলো কেটে দেওয়া হবে। পরীক্ষার মতো অনুশীলন করতে চাইলে এটি বন্ধ করো।
4. নিশ্চিত হলে ক্যাটায়ন আর অ্যানায়ন বেছে জমা দাও — নম্বর আর ব্যাখ্যা পাবে। সব পরীক্ষা নিজে থেকেই ব্যবহারিক খাতায় লেখা হবে, CSV করে নামিয়েও নিতে পারো।

ঘরে বসে পরীক্ষা: চুনের পানি দিয়ে CO₂ শনাক্তকরণ

পান খাওয়ার চুন (কলিচুন, slaked lime, Ca(OH)₂) দিয়ে নিজেই চুনের পানি বানাতে পারো:

1. এক গ্লাস পানিতে আধা চা-চামচ চুন মিশিয়ে নাড়ো, তারপর কয়েক ঘণ্টা রেখে দাও। তলানি জমার পর ওপরের স্বচ্ছ পানিটুকু সাবধানে আরেকটি গ্লাসে ঢেলে নাও — এটিই চুনের পানি (Ca(OH)₂-এর সম্পৃক্ত দ্রবণ)।
2. একটি স্ট্র দিয়ে চুনের পানিতে আস্তে আস্তে ফুঁ দাও (টেনো না!)। নিঃশ্বাসের CO₂-তে কিছুক্ষণের মধ্যেই পানি ঘোলা হবে।
3. একটি ছোট বোতলে খাবার সোডা (NaHCO₃) বা ডিমের খোসার গুঁড়ো (CaCO₃) নিয়ে ভিনেগার ঢালো — বুদবুদ উঠবে। একটি নল দিয়ে সেই গ্যাস চুনের পানিতে পাঠাও: আবার দুধের মতো ঘোলা!
4. খাতায় লেখো: পরীক্ষা, পর্যবেক্ষণ, সিদ্ধান্ত — আর সমীকরণ $\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 v + H2O}$।

পরীক্ষার প্রস্তুতি