পাঠ ৯ / ১৩অনুচ্ছেদ ৪.১২–৪.১২.১

pH স্কেল ও লবণের আর্দ্র বিশ্লেষণpH scale, pH calculations & salt hydrolysis

এই পাঠের আগে পড়ো (read first): পাঠ ৮ — পানির আয়নিক গুণফল, Ka, Kb ও এসিড-ক্ষারের তীব্রতা

খাবার লবণ, নিশাদল আর কাপড় কাচা সোডা — তিনটিই লবণ (salt), আর তিনটির 0.1 M দ্রবণই দেখতে পানির মতো স্বচ্ছ। নিচে প্রতিটিতে এক ফোঁটা সার্বজনীন নির্দেশক (universal indicator) দিয়ে দেখো:

ড্রপারে (dropper): সার্বজনীন নির্দেশক (universal indicator) · প্রতিটি বিকারে 0.1 M লবণের দ্রবণ

সার্বজনীন নির্দেশকের রং-তালিকা (universal indicator chart, typical — ব্র্যান্ডভেদে একটু আলাদা)

প্রতিটি বিকারে (beaker) এক ফোঁটা সার্বজনীন নির্দেশক (universal indicator) দাও — বিকারে বা নিচের বোতামে চাপো। তিনটিই 0.1 M লবণের দ্রবণ, দেখতে পানির মতো স্বচ্ছ।

NaCl (table salt) দ্রবণে এক ফোঁটা নির্দেশক দাও, রং-তালিকার সঙ্গে মিলিয়ে pH পড়ো।
NH₄Cl (sal ammoniac) দ্রবণে এক ফোঁটা নির্দেশক দাও, রং-তালিকার সঙ্গে মিলিয়ে pH পড়ো।
Na₂CO₃ (washing soda) দ্রবণে এক ফোঁটা নির্দেশক দাও, রং-তালিকার সঙ্গে মিলিয়ে pH পড়ো।

লবণ তো এসিড আর ক্ষারের প্রশমনে (neutralisation) তৈরি — তাহলে সব লবণের দ্রবণ নিরপেক্ষ (neutral) হওয়ার কথা নয়? আর “pH 5” বা “pH 12” সংখ্যাগুলোর মানেই বা কী?

এই পাঠে ধাপে ধাপে এগোব:

pH স্কেল (pH scale) — কেন লগারিদম (logarithm), pH ও pOH
তীব্র এসিড (strong acid) ও তীব্র ক্ষারের (strong base) pH — আর খুব লঘু দ্রবণের ফাঁদ
দুর্বল এসিড (weak acid) ও দুর্বল ক্ষারের (weak base) pH — ICE সারণি আর 5 % নিয়ম
বহুপ্রোটিক এসিড (polyprotic acid) — H₂SO₄-এর দ্বিতীয় ধাপ
লবণের আর্দ্র বিশ্লেষণ (salt hydrolysis) — কোন লবণ অম্লীয়, কোনটি ক্ষারীয়
নির্দেশক (indicator) — রং বদলায় কেন, কোন পরিসরে
এবার নিজে করে দেখো — ভার্চুয়াল pH মিটার ল্যাব (virtual pH meter lab)

ধাপ ১: pH স্কেল — কেন লগারিদম

আগের পাঠে দেখেছ, 25 °C-এ পানির আয়নিক গুণফল (ionic product of water):

K_w = [\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}] = 1.0 \times 10^{-14}

দ্রবণে $[\mathrm{H_3O^+}]$ -এর মান 1 M থেকে $10^{-14}$ M পর্যন্ত হতে পারে — চোদ্দটি দশের ঘাত (powers of ten)! “0.00000000001 M” লেখা বা তুলনা করা কষ্টকর। তাই ১৯০৯ সালে ডেনিশ রসায়নবিদ সোরেনসেন (Sørensen) একটি সংক্ষিপ্ত মাপকাঠি প্রস্তাব করেন — pH (power of hydrogen):

\begin{gathered} \mathrm{pH} = -\log_{10}[\mathrm{H_3O^+}] \ [\mathrm{H_3O^+}] = 10^{-\mathrm{pH}} \end{gathered}

একইভাবে $\mathrm{pOH} = -\log[\mathrm{OH^-}]$ । $K_w$ -এর দুই দিকে $-\log$ নিলে পাই:

\mathrm{pH} + \mathrm{pOH} = \mathrm{p}K_w = 14.00 \quad (25\ ^\circ\mathrm{C})

তিনটি মূল কথা:

ঋণাত্মক চিহ্ন (minus sign): $[\mathrm{H_3O^+}]$ যত বেশি, pH তত কম। অম্লীয় (acidic) দ্রবণে pH < 7, ক্ষারীয় (basic) দ্রবণে pH > 7 (25 °C-এ)।
লগারিদমীয় (logarithmic): pH এক ধাপ কমা মানে $[\mathrm{H_3O^+}]$ 10 গুণ বাড়া। pH 3-এর দ্রবণে pH 6-এর চেয়ে $10^3 = 1000$ গুণ বেশি H₃O⁺।
দশমিকের পর দুই ঘর: লেবুর রসে $[\mathrm{H_3O^+}] = 2.5\times10^{-3}$ M হলে pH = $-\log(2.5\times10^{-3}) = 3 - 0.398 = 2.60$ ।

নিচের মইটি (ladder) টেনে নিজে দেখো, আর চেনা জিনিসগুলোয় চাপ দাও:

[H₃O⁺] টেনে বদলাও (drag): 1.0 × 10⁻³ M

← বেশি H₃O⁺ (10 M)কম H₃O⁺ (10⁻¹⁵ M) →

pH = −log[H₃O⁺]3.00

pOH = 14 − pH11.00

[H₃O⁺]1.0 × 10⁻³ M

[OH⁻] = Kw / [H₃O⁺]1.0 × 10⁻¹¹ M

অম্লীয় (acidic) বিশুদ্ধ পানির চেয়ে 10,000 গুণ বেশি H₃O⁺।

সার্বজনীন নির্দেশকের রং-তালিকা (universal indicator chart, typical — ব্র্যান্ডভেদে একটু আলাদা)

এখানে

চেনা জিনিসে চাপো (tap a familiar thing) — মানগুলো সাধারণ পরিসর (typical range):

pH এক ধাপ বাড়া মানে H₃O⁺ দশ ভাগের এক ভাগ (one-tenth) হয়ে যাওয়া; দুই ধাপ মানে একশো ভাগের এক ভাগ। এজন্যই একে লগারিদমীয় স্কেল (logarithmic scale) বলে।

pH 7 মানেই কি নিরপেক্ষ? শুধু 25 °C-এ। নিরপেক্ষ (neutral) মানে $[\mathrm{H_3O^+}] = [\mathrm{OH^-}] = \sqrt{K_w}$ , অর্থাৎ pH = p $K_w$ /2। পানির আয়নন তাপহারী (endothermic), তাই গরমে $K_w$ বাড়ে: 50 °C-এ বিশুদ্ধ পানির pH 6.63, 100 °C-এ 6.13 — তবু সে নিরপেক্ষ, কারণ $[\mathrm{H_3O^+}]$ আর $[\mathrm{OH^-}]$ এখনো সমান।

নিজে যাচাই করো

একটি দ্রবণের pH 3, অন্যটির pH 6। প্রথমটিতে H₃O⁺-এর ঘনমাত্রা দ্বিতীয়টির কত গুণ?

ধাপ ২: তীব্র এসিড ও তীব্র ক্ষারের pH

HCl, HNO₃-এর মতো তীব্র এসিড পানিতে পুরোপুরি আয়নিত (completely ionised) হয়, তাই $[\mathrm{H_3O^+}] = C$ (এসিডের মোলার ঘনমাত্রা, molar concentration)। NaOH-এর মতো তীব্র ক্ষারে $[\mathrm{OH^-}] = C$ ।

দ্রবণ	হিসাব	pH
0.1 M HCl	$-\log 0.1$	1.00
0.2 M HCl	$-\log 0.2$	0.70
0.01 M HCl	$-\log 0.01$	2.00
0.02 M NaOH	pOH = $-\log 0.02$ = 1.70	12.30
2.5 % NaOH (25 g/L ÷ 40 g/mol = 0.625 M)	pOH = 0.20	13.80
2.0 M HCl	$-\log 2.0$	−0.30

শেষ সারিটি লক্ষ করো: 1 M-এর চেয়ে ঘন তীব্র এসিডের pH ঋণাত্মক (negative), আর 1 M-এর চেয়ে ঘন তীব্র ক্ষারের pH 14-এর বেশি। “pH সবসময় 0 থেকে 14” — কথাটি ঠিক নয়; শুধু সাধারণত ব্যবহৃত লঘু দ্রবণগুলো এই সীমার মধ্যে থাকে। (খুব ঘন দ্রবণে আসলে ঘনমাত্রার বদলে সক্রিয়তা (activity) লাগে — সেটি উচ্চতর পাঠ।)

লঘুকরণ (dilution): তীব্র এসিডকে 10 গুণ লঘু করলে pH ঠিক 1 বাড়ে — 0.1 M (pH 1) থেকে 0.01 M (pH 2)। তাহলে $10^{-8}$ M HCl-এর pH কি 8? এসিড মিশিয়ে ক্ষারীয় দ্রবণ — অসম্ভব! ভুলটা হলো, বিশুদ্ধ পানি নিজেই $10^{-7}$ M H₃O⁺ দেয়; এত লঘু এসিডে সেটি আর নগণ্য (negligible) নয়। আধান সাম্য (charge balance) থেকে:

\begin{gathered} [\mathrm{H_3O^+}] = C + \frac{K_w}{[\mathrm{H_3O^+}]} \ [\mathrm{H_3O^+}] = \frac{C + \sqrt{C^2 + 4K_w}}{2} \end{gathered}

$C = 10^{-8}$ M বসালে $[\mathrm{H_3O^+}] = 1.05\times10^{-7}$ M, pH = 6.98 — 7-এর একটু নিচে, যেমনটা হওয়া উচিত।

10⁻⁸ M HCl-এ সূত্র বলে pH 8 — এসিড দিয়ে ক্ষারীয় দ্রবণ, যা অসম্ভব। পানি নিজেই 10⁻⁷ M H₃O⁺ দেয়; এত লঘু এসিডে সেটি আর নগণ্য নয়। তাই আসল pH 6.98 — 7-এর একটু নিচে।

নিজে যাচাই করো

1.0 × 10⁻⁸ M HCl দ্রবণের pH কত?

ধাপ ৩: দুর্বল এসিড ও দুর্বল ক্ষারের pH

CH₃COOH, HCOOH-এর মতো দুর্বল এসিড আংশিক আয়নিত হয়, তাই $[\mathrm{H_3O^+}]$ বের করতে হয় সাম্যধ্রুবক $K_a$ (acid dissociation constant) দিয়ে। এজন্য ICE সারণি (Initial–Change–Equilibrium table) লেখো: শুরুতে $C$ , আয়নিত হয় $x$ , সাম্যে থাকে $C - x$ :

\begin{gathered} \mathrm{HA + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + A^-} \ K_a = \frac{x^2}{C - x} \end{gathered}

এটি একটি দ্বিঘাত সমীকরণ (quadratic equation)। বোর্ডের প্রশ্নে সাধারণত শর্টকাট নেওয়া হয়: $x$ খুব ছোট হলে $C - x \approx C$ , তাই

[\mathrm{H_3O^+}] = x \approx \sqrt{K_a C}

5 % নিয়ম (5 % rule): শর্টকাট তখনই চলে যখন আয়নিত অংশ $\alpha = x/C$ ≤ 5 %। না হলে দ্বিঘাত সমীকরণ সমাধান করতে হয়। নিচে এসিড আর ঘনমাত্রা বদলে নিজে দেখো কখন শর্টকাট ভেঙে পড়ে:

অ্যাসিটিক এসিড (acetic acid) — Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (25 °C, CRC)

ঘনমাত্রা (concentration) C: 0.10 M

mol/L	CH₃COOH	H₃O⁺	CH₃COO⁻
শুরুতে (initial)	0.10 M	0	0
পরিবর্তন (change)	−x	+x	+x
সাম্যে (equilibrium)	9.9 × 10⁻²	1.3 × 10⁻³	1.3 × 10⁻³

K_{a} = \frac{x ^{2}}{C - x} x = \frac{- K _{a} + K _{a}^{2} + 4 K _{a} C}{2}

সঠিক (exact) pH2.88

বোর্ড পদ্ধতি (board) √(KaC)2.88

আয়নিত অংশ (α), সঠিক1.3 %

x-এ ভুল (error in x)0.7 %

α-এর দণ্ড (0–30 %); হলুদ দাগ = 5 %

α ≤ 5 % C − x ≈ C ধরা চলে — শর্টকাট (shortcut) আর সঠিক উত্তর প্রায় এক।

উদাহরণ: 0.01 M CH₃COOH ( $K_a = 1.8\times10^{-5}$ ): $x \approx \sqrt{1.8\times10^{-5}\times0.01} = 4.2\times10^{-4}$ M, pH = 3.38, $\alpha$ = 4.2 % (< 5 %, তাই শর্টকাট ঠিক আছে)।

উল্টো হিসাব — pH থেকে $K_a$ : 0.01 M HCOOH-এর pH 2.90 হলে $x = 10^{-2.90} = 1.26\times10^{-3}$ M। এখানে $\alpha$ = 12.6 % — 5 %-এর অনেক বেশি, তাই $C - x$ বাদ দেওয়া যাবে না:

\begin{aligned} K_a &= \frac{x^2}{C - x} = \frac{(1.26\times10^{-3})^2}{0.01 - 0.00126} \ &= 1.81\times10^{-4} \end{aligned}

(শর্টকাট $x^2/C$ দিত $1.58\times10^{-4}$ — 13 % কম।)

দুর্বল ক্ষার (weak base) একইভাবে, শুধু $[\mathrm{OH^-}]$ আর $K_b$ দিয়ে: 0.1 M NH₃ ( $K_b = 1.8\times10^{-5}$ ) → $[\mathrm{OH^-}] \approx \sqrt{1.8\times10^{-6}} = 1.34\times10^{-3}$ M, pOH = 2.87, pH = 11.13।

নিজে যাচাই করো

0.1 M অ্যাসিটিক এসিড (Ka = 1.8 × 10⁻⁵) দ্রবণের pH কত?

ধাপ ৪: বহুপ্রোটিক এসিড — H₂SO₄-এর দ্বিতীয় ধাপ

H₂SO₄-এর প্রথম ধাপ সম্পূর্ণ, কিন্তু দ্বিতীয় ধাপ নয়:

\begin{gathered} \mathrm{H_2SO_4 \longrightarrow H^+ + HSO_4^-} \quad (\text{complete}) \ \mathrm{HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}} \quad K_{a2} = 1.0\times10^{-2} \end{gathered}

বোর্ডের হিসাবে ধরা হয় দুটি ধাপই সম্পূর্ণ, তাই $[\mathrm{H^+}] = 2C$ । বাস্তবে প্রথম ধাপের $C$ পরিমাণ H⁺ দ্বিতীয় ধাপকে পেছনে ঠেলে দেয় (সম-আয়ন প্রভাব, common-ion effect), তাই $[\mathrm{H^+}] = C + x$ , যেখানে

K_{a2} = \frac{(C + x)\,x}{C - x}

H₂SO₄-এর ঘনমাত্রা	বোর্ডের উত্তর (2C ধরে)	বাস্তব pH
0.05 M	1.00	1.24
0.025 M	1.30	1.51
0.005 M	2.00	2.11
0.0005 M	3.00	3.02

যত লঘু, দ্বিতীয় ধাপ তত বেশি সম্পূর্ণ হয়, তাই পার্থক্য কমে আসে। পরীক্ষায় বোর্ডের পদ্ধতিতে উত্তর দাও (প্রশ্নে সাধারণত সেটিই চাওয়া হয়), কিন্তু জেনে রাখো আসল মান কত।

নিজে যাচাই করো

H₂SO₄-এর বাস্তব pH বোর্ডের 2C ধরে করা হিসাবের চেয়ে বেশি হয় কেন?

ধাপ ৫: লবণের আর্দ্র বিশ্লেষণ

শুরুর প্রশ্নে ফিরি। লবণ পানিতে দ্রবীভূত হলে আয়নে ভাগ হয়ে যায়। এরপর কোনো আয়ন যদি পানির সঙ্গে বিক্রিয়া করে H₃O⁺ বা OH⁻ তৈরি করে, তাকে বলে লবণের আর্দ্র বিশ্লেষণ (salt hydrolysis)। কোন আয়ন তা করবে, ঠিক করে দেয় সে কোন এসিড বা ক্ষার থেকে এসেছে:

দুর্বল ক্ষারের ক্যাটায়ন (NH₄⁺) একটি অনুবন্ধী এসিড (conjugate acid) — পানিকে H⁺ দেয়: $\mathrm{NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 + H_3O^+}$ । দ্রবণ অম্লীয়।
দুর্বল এসিডের অ্যানায়ন (CH₃COO⁻, CO₃²⁻) একটি অনুবন্ধী ক্ষারক (conjugate base) — পানি থেকে H⁺ নেয়: $\mathrm{CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-}$ । দ্রবণ ক্ষারীয়।
তীব্র এসিড বা তীব্র ক্ষারের আয়ন (Na⁺, K⁺, Cl⁻, NO₃⁻) — এত দুর্বল অনুবন্ধী যে কিছুই করে না।

নিজে প্রতিটি আয়নকে পানিতে ছেড়ে দেখো — আগে অনুমান করো, তারপর ▶ চাপো:

অনুমান করো (predict): NH₄⁺ কি পানিকে H⁺ দেবে, পানি থেকে H⁺ নেবে, নাকি কিছুই করবে না? তারপর ▶ চাপো।

দেখা হয়েছে (seen): 0/6 — ছয়টি আয়নই চেষ্টা করো।

লবণের ধরন	উদাহরণ	কোন আয়ন বিক্রিয়া করে	দ্রবণ	0.1 M-এ pH
তীব্র এসিড + তীব্র ক্ষার	NaCl, KNO₃	কোনোটিই না	নিরপেক্ষ (neutral)	7.00
তীব্র এসিড + দুর্বল ক্ষার	NH₄Cl, CuSO₄	ক্যাটায়ন (cationic hydrolysis)	অম্লীয় (acidic)	5.13; ≈ 4.3
দুর্বল এসিড + তীব্র ক্ষার	CH₃COONa, Na₂CO₃	অ্যানায়ন (anionic hydrolysis)	ক্ষারীয় (basic)	8.88; 11.66
দুর্বল এসিড + দুর্বল ক্ষার	CH₃COONH₄	দুটিই	$K_a$ বনাম $K_b$ -এর ওপর নির্ভর	7.00

শেষ সারির CH₃COONH₄-এ দুটি আয়নই আর্দ্র বিশ্লেষিত হয়, কিন্তু CH₃COOH-এর $K_a$ ( $1.75\times10^{-5}$ ) আর NH₃-এর $K_b$ ( $1.8\times10^{-5}$ ) প্রায় সমান — তাই H₃O⁺ আর OH⁻ কাটাকাটি যায়। NH₄CN-এ ( $K_a$ (HCN) $= 6.2\times10^{-10}$ ≪ $K_b$ (NH₃)) দ্রবণ ক্ষারীয় হয়।

আর্দ্র বিশ্লেষণ ধ্রুবক (hydrolysis constant): অ্যাসিটেটের বিক্রিয়ার সাম্যধ্রুবক

K_h = \frac{[\mathrm{CH_3COOH}][\mathrm{OH^-}]}{[\mathrm{CH_3COO^-}]} = \frac{K_w}{K_a}

(লব ও হরকে $[\mathrm{H_3O^+}]$ দিয়ে গুণ করলেই পাবে)। একইভাবে NH₄⁺-এর জন্য $K_h = K_w/K_b$ । মূল এসিড যত দুর্বল, তার অনুবন্ধী ক্ষারক তত জোরালো।

উদাহরণ — 0.1 M CH₃COONa-এর pH ( $K_a = 1.8\times10^{-5}$ ):

\begin{gathered} K_h = \frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} = 5.6\times10^{-10} \ [\mathrm{OH^-}] = \sqrt{K_h C} = 7.45\times10^{-6}\ \text{M} \end{gathered}

pOH = 5.13, তাই pH = 8.87। একইভাবে 0.1 M NH₄Cl: $[\mathrm{H_3O^+}] = \sqrt{(K_w/K_b)\,C} = 7.5\times10^{-6}$ M, pH = 5.13।

নিজে যাচাই করো

নিচের কোন লবণের জলীয় দ্রবণ ক্ষারীয়?

ধাপ ৬: নির্দেশক — রং দিয়ে pH পড়া

এসিড-ক্ষার নির্দেশক (indicator) নিজেই একটি দুর্বল জৈব এসিড (weak organic acid), যার এসিড রূপ (HIn) আর ক্ষারক রূপের (In⁻) রং আলাদা:

\begin{gathered} \mathrm{HIn \rightleftharpoons H^+ + In^-} \ \mathrm{pH} = \mathrm{p}K_{In} + \log\frac{[\mathrm{In^-}]}{[\mathrm{HIn}]} \end{gathered}

চোখ একটি রং আলাদা করে চিনতে পারে যখন সেটি অন্যটির প্রায় 10 গুণ। তাই রং বদলের পরিসর (transition range) মোটামুটি $\mathrm{p}K_{In} \pm 1$ — প্রায় 2 pH একক চওড়া। প্রতিটি নির্দেশক শুধু নিজের পরিসরের ভেতরে রং বদলায়:

দ্রবণের pH (solution pH): 7.0

মিথাইল অরেঞ্জ (methyl orange)3.1–4.4: হলুদ (yellow)

মিথাইল রেড (methyl red)4.4–6.2: হলুদ (yellow)

লিটমাস (litmus)4.5–8.3: মাঝামাঝি, বদলাচ্ছে (changing)

ব্রোমোথাইমল ব্লু (bromothymol blue)6–7.6: মাঝামাঝি, বদলাচ্ছে (changing)

ফেনলফথ্যালিন (phenolphthalein)8.2–10: বর্ণহীন (colourless)

সার্বজনীন নির্দেশক (universal indicator)1–14: সবুজ (green)

লক্ষ করো: এখন মিথাইল অরেঞ্জ (methyl orange) হলুদ — অর্থাৎ “ক্ষার-রং” — অথচ ফেনলফথ্যালিন (phenolphthalein) বর্ণহীন, অর্থাৎ “এসিড-রং”। দুটিই ঠিক: একটি বলছে pH > 4.4, অন্যটি বলছে pH < 8.2।

নির্দেশক (indicator)	পরিসর (range, pH)	এসিডে → ক্ষারে
মিথাইল অরেঞ্জ (methyl orange)	3.1–4.4	লাল → হলুদ
মিথাইল রেড (methyl red)	4.4–6.2	লাল → হলুদ
লিটমাস (litmus)	4.5–8.3	লাল → নীল
ব্রোমোথাইমল ব্লু (bromothymol blue)	6.0–7.6	হলুদ → নীল
ফেনলফথ্যালিন (phenolphthalein)	8.2–10.0	বর্ণহীন → গোলাপি
সার্বজনীন নির্দেশক (universal indicator)	1–14	লাল → কমলা → হলুদ → সবুজ (7) → নীল → বেগুনি

সার্বজনীন নির্দেশক আসলে কয়েকটি নির্দেশকের মিশ্রণ, যাতে প্রতিটি pH-এ আলাদা রং আসে (রংগুলো ব্র্যান্ডভেদে একটু আলাদা)। নির্দেশক দিয়ে আনুমানিক pH পাওয়া যায়; দশমিকের পর দুই ঘর পর্যন্ত মাপতে লাগে pH মিটার (pH meter)। (টাইট্রেশনে কোন নির্দেশক বাছতে হয়, তা বাফার পাঠে আর পরের অধ্যায়ে।)

নিজে যাচাই করো

একটি দ্রবণে মিথাইল অরেঞ্জ হলুদ আর ফেনলফথ্যালিন বর্ণহীন। দ্রবণটির pH সম্পর্কে কী বলা যায়?

ধাপ ৭: এবার নিজে করে দেখো

ভার্চুয়াল ল্যাবে একটি সত্যিকারের pH মিটারের মতো যন্ত্র আছে। আসল ল্যাবের মতো এখানেও আগে ক্যালিব্রেট (calibrate) করতে হয় — না হলে রিডিং ভুল আসে।

ক্যালিব্রেশন: “বাফার ও পানি” তাক থেকে pH 7.00 বাফার নাও → ইলেকট্রোড ডোবাও → রিডিং স্থির হলে CAL চাপো। তারপর তুলে ধুয়ে pH 4.01 (বা 10.01) বাফারে একই কাজ করো। প্রথমটি অফসেট (offset), দ্বিতীয়টি ঢাল (slope) ঠিক করে।
মাপো: এসিড, ক্ষার আর লবণের তাক থেকে দ্রবণ নিয়ে ইলেকট্রোড ডোবাও। ডানে (ফোনে নিচে) ভেতরের হিসাব দেখবে — বোর্ড পদ্ধতি বনাম সঠিক মান।
লঘু করো: পিপেট (pipette) দিয়ে 10 mL বা 1 mL নিয়ে 100 mL আয়তনিক ফ্লাস্কে (volumetric flask) দাগ পর্যন্ত পানি দাও।
নির্দেশক: স্পট প্লেটের (spot plate) গর্তে চাপ দিয়ে চারটি নির্দেশকের রং দেখো।
চ্যালেঞ্জগুলো শেষ করো আর প্রতিটি মাপ খাতায় (notebook) লেখো।

ভার্চুয়াল pH মিটার ল্যাব

pH meter lab: calibrate, measure, dilute, test salts & indicators

↗

তাক (shelf) থেকে একটি বোতল বেছে নাও — শুরুতে “বাফার ও পানি” থেকে pH 7.00 বাফার নিয়ে মিটার ক্যালিব্রেট করো।

ক্যালিব্রেশন (calibration) ক্যালিব্রেট হয়নি (not calibrated)

লঘুকরণ (dilution) পিপেটে নিয়ে 100 mL আয়তনিক ফ্লাস্কে (volumetric flask), দাগ পর্যন্ত পানি

স্পট প্লেটে নির্দেশক (indicators on a spot plate) প্রতিটি গর্তে এক ফোঁটা দ্রবণ + এক ফোঁটা নির্দেশক

ধাপগুলো: (১) pH 7.00 বাফারে ডুবিয়ে CAL, (২) তুলে ধুয়ে pH 4.01 বা 10.01 বাফারে CAL, (৩) তারপর যেকোনো দ্রবণ মাপো।

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6

pH 7.00 আর pH 4.01 (বা 10.01) প্রমাণ বাফারে (standard buffer) মিটার ক্যালিব্রেট করো — দুই বিন্দু ক্যালিব্রেশন (two-point calibration)
0.1 M HCl লঘু করে (dilute) ঠিক pH 3.00-এর দ্রবণ বানাও, ক্যালিব্রেট করা মিটারে মেপে দেখাও
0.1 M HCl-কে 10 লক্ষ গুণ (10⁶×) লঘু করে pH মাপো — সূত্র pH = −log C বলবে 7; আসলে কত?
0.1 M অ্যাসিটিক এসিডের (acetic acid) pH ক্যালিব্রেট করা মিটারে মেপে তার Ka বের করো
ছয়টি লবণের দ্রবণ মেপে প্রতিটিকে অম্লীয় / নিরপেক্ষ / ক্ষারীয় হিসেবে চিহ্নিত করো (0/6)
এমন একটি দ্রবণ খোঁজো যাতে মিথাইল অরেঞ্জ (methyl orange) হলুদ, অথচ ফেনলফথ্যালিন (phenolphthalein) বর্ণহীন থাকে

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

এখনো কিছু লেখা হয়নি। প্রতিটি মাপের পর “খাতায় লেখো” চাপো।

ল্যাবের মানগুলো আদর্শ দ্রবণ (ideal solution, 25 °C) ধরে পূর্ণ আধান-সাম্য (full charge balance) থেকে হিসাব করা। বাস্তব ঘন দ্রবণে আয়নের পারস্পরিক টান (activity) আর CuSO₄-এর মতো জটিল আয়নের কারণে রিডিং এক-দুই দশমাংশ আলাদা হতে পারে; CuSO₄-এর মানটি আনুমানিক।

বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের এই অংশে কয়েকটি ভুল আছে:

“যেকোনো জলীয় দ্রবণের pH 0 থেকে 14-এর মধ্যে থাকবে” (বই পৃ. 499) — ভুল। 2 M HCl-এর pH −0.30, 2 M NaOH-এর 14.30 (বই নিজেই পৃ. 506-এ তা বলেছে)। আর “বিশুদ্ধ পানির pH 7” শুধু 25 °C-এ।
100 °C-এ বিশুদ্ধ পানির pH “6.53” (পৃ. 500, “চিন্তা করো”) — ভুল $K_w$ ( $8.7\times10^{-14}$ ) থেকে এসেছে। আসল $K_w$ (100 °C) $\approx 5.5\times10^{-13}$ , তাই pH 6.13।
“মোলার ঘনমাত্রা বাড়লে pH কমে” (পৃ. 500) — শুধু এসিডের জন্য সত্য; ক্ষারের ঘনমাত্রা বাড়লে pH বাড়ে।
সমাধানকৃত সমস্যা 4.41: 0.005 M H₂SO₄-এর pH “2” — দ্বিতীয় ধাপ সম্পূর্ণ ধরে। আসল 2.11। একইভাবে MCQ “0.05 M H₂SO₄-এর pH = 1.0”-এর আসল মান 1.24, আর অনুশীলনী (ছ) 0.025 M H₂SO₄ “1.30”-এর আসল মান 1.51। পরীক্ষায় বোর্ডের উত্তর লেখো, কিন্তু জেনে রাখো।
সমাধানকৃত সমস্যা 4.42: “0.01 M অ্যাসিটিক এসিড 12.5 % আয়নিত, pH 2.90” — অসম্ভব। $K_a = 1.8\times10^{-5}$ হলে α = 4.2 %, pH 3.38। অনুশীলনী (জ)-এর উত্তর “0.903”-ও ভুল (একই তথ্যে 2.90 আসে; আসলে 3.38)।
সমাধানকৃত সমস্যা 4.43: 0.01 M HCOOH (pH 2.90) থেকে $K_a$ “ $1.58\times10^{-4}$ ” — শর্টকাট দিয়ে, অথচ α = 12.6 % (> 5 %)। সঠিক হিসাবে $1.81\times10^{-4}$ — যা ফরমিক এসিডের আসল $K_a$ ।
সমাধানকৃত সমস্যা 4.50: “0.01 M ডাইমিথাইল অ্যামিনের pH 7.64 → $K_b = 1.9\times10^{-11}$ ” — অবাস্তব। আসল $K_b = 5.4\times10^{-4}$ , তাই 0.01 M দ্রবণের pH ≈ 11.3।
অনুশীলনী (ঞ): 0.5 M CH₃NH₂ ( $K_b = 4.8\times10^{-4}$ )-এর pH “12.04” → 12.19। ছোট ভুল: 4.40-এ 0.2 M HCl-এর pH 0.69 নয়, 0.70।
CuSO₄-এর আর্দ্র বিশ্লেষণ: “Cu²⁺ + 4H₂O ⇌ Cu(OH)₂(aq) + 2H₃O⁺” (পৃ. 506) — বাস্তবে Cu(OH)₂ দ্রবণে থাকে না (অধঃক্ষেপ হয়)। আসল প্রথম ধাপ: [Cu(H₂O)₆]²⁺ + H₂O ⇌ [Cu(H₂O)₅(OH)]⁺ + H₃O⁺।
সার্বজনীন নির্দেশক pH 7-এ সবুজ — বইয়ের কোনো কোনো সারণিতে (পৃ. 534) “7 হলুদ” লেখা, সেটি ভুল।

ঘরে বসে পরীক্ষা: লাল বাঁধাকপির নির্দেশক

লাল বাঁধাকপির (red cabbage) বেগুনি রং অ্যান্থোসায়ানিন (anthocyanin) — একটি প্রাকৃতিক নির্দেশক।

কয়েকটি লাল বাঁধাকপির পাতা কুচি করে এক কাপ পানিতে 10 মিনিট ফোটাও (বড় কারও সাহায্য নিয়ে), ঠান্ডা করে ছেঁকে নাও। বেগুনি তরলটিই নির্দেশক।
ছয়টি স্বচ্ছ গ্লাস বা কাপে নাও: ভিনেগার, লেবুর রস, লবণ-পানি, খাবার সোডা গোলা পানি, কাপড় কাচা সোডা গোলা পানি, সাবান-পানি।
প্রতিটিতে কয়েক চামচ বাঁধাকপির রস দাও। সাধারণ রং: লাল (pH 1–2), গোলাপি-বেগুনি (≈ 4), বেগুনি (≈ 7), নীল (8–9), সবুজ (10–11), হলুদ (12+)।
রং অনুযায়ী গ্লাসগুলো সাজিয়ে একটি “pH মই” বানাও। লবণ-পানি কোথায় পড়ল? খাবার সোডা আর কাপড় কাচা সোডার মধ্যে কোনটি বেশি ক্ষারীয় — আর কেন (ধাপ ৫ দেখো)?

নিরাপত্তা: ফোটানোর সময় বড় কারও সাহায্য নাও। ব্লিচ, ড্রেন ক্লিনার বা টয়লেট ক্লিনার কখনো ব্যবহার করবে না, মেশাবেও না। শেষে সব তরল প্রচুর পানি দিয়ে বেসিনে ফেলে দাও, কিছু মুখে দেবে না।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. অম্লবৃষ্টির পর একটি পুকুরের পানির pH 4.5। পানিতে [H₃O⁺] কত? বিশুদ্ধ পানির চেয়ে কত গুণ বেশি?

$[\mathrm{H_3O^+}] = 10^{-4.5} = 3.16\times10^{-5}$ M। বিশুদ্ধ পানিতে (25 °C) $10^{-7}$ M, তাই অনুপাত $\dfrac{3.16\times10^{-5}}{10^{-7}} = 316$ গুণ।

২. (ক) 0.02 M NaOH ও (খ) 0.05 M H₂SO₄ দ্রবণের pH নির্ণয় করো।

(ক) $[\mathrm{OH^-}] = 0.02$ M, pOH = $-\log 0.02 = 1.70$ , pH = 14 − 1.70 = 12.30।

(খ) বোর্ড পদ্ধতি: দুটি ধাপই সম্পূর্ণ ধরে $[\mathrm{H^+}] = 2\times0.05 = 0.1$ M, pH = 1.00 (MCQ-এর উত্তর)। বাস্তবে দ্বিতীয় ধাপের $K_{a2} = 1.0\times10^{-2}$ ধরলে $x^2 + 0.06x - 5\times10^{-4} = 0$ → $x = 7.4\times10^{-3}$ , $[\mathrm{H^+}] = 0.0574$ M, pH = 1.24।

৩. 0.25 M CH₃COOH দ্রবণের pH 2.68 হলে এসিডটির Ka কত? 5 % নিয়ম কি মানা হয়েছে?

$[\mathrm{H_3O^+}] = 10^{-2.68} = 2.09\times10^{-3}$ M। $\alpha = \dfrac{2.09\times10^{-3}}{0.25} = 0.84$ % (< 5 %), তাই শর্টকাট চলে:

$K_a \approx \dfrac{(2.09\times10^{-3})^2}{0.25} = 1.75\times10^{-5}$ । (সঠিক $\dfrac{x^2}{C - x}$ দিলে $1.76\times10^{-5}$ — প্রায় একই।)

৪. 0.1 M CH₃COONa দ্রবণের pH হিসাব করো (CH₃COOH-এর Ka = 1.8 × 10⁻⁵)।

$\mathrm{CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-}$ , $K_h = \dfrac{K_w}{K_a} = \dfrac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} = 5.56\times10^{-10}$ ।

$[\mathrm{OH^-}] = \sqrt{K_h C} = \sqrt{5.56\times10^{-11}} = 7.45\times10^{-6}$ M, pOH = 5.13, pH = 8.87 — ক্ষারীয়।

৫. NH₄Cl-এর জলীয় দ্রবণ অম্লীয় কিন্তু Na₂CO₃-এর দ্রবণ ক্ষারীয় — সমীকরণসহ ব্যাখ্যা করো।

NH₄Cl তীব্র এসিড HCl আর দুর্বল ক্ষার NH₃-এর লবণ। Cl⁻ কিছু করে না, কিন্তু NH₄⁺ (দুর্বল ক্ষারের অনুবন্ধী এসিড) পানিকে প্রোটন দেয়: $\mathrm{NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 + H_3O^+}$ — H₃O⁺ বাড়ে, দ্রবণ অম্লীয় (ক্যাটায়নের আর্দ্র বিশ্লেষণ)।

Na₂CO₃ তীব্র ক্ষার NaOH আর দুর্বল এসিড H₂CO₃-এর লবণ। Na⁺ কিছু করে না, কিন্তু CO₃²⁻ পানি থেকে প্রোটন নেয়: $\mathrm{CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-}$ — OH⁻ বাড়ে, দ্রবণ ক্ষারীয় (অ্যানায়নের আর্দ্র বিশ্লেষণ)। 0.1 M-এ pH ≈ 11.7।

৬. 50 °C-এ বিশুদ্ধ পানির pH 6.63। পানিটি কি অম্লীয়? 10⁻⁸ M HCl-এর pH 8 নয় কেন?

না। 50 °C-এ $K_w = 5.5\times10^{-14}$ , তাই $[\mathrm{H_3O^+}] = [\mathrm{OH^-}] = \sqrt{K_w} = 2.3\times10^{-7}$ M, pH 6.63। যেহেতু $[\mathrm{H_3O^+}] = [\mathrm{OH^-}]$ , পানি নিরপেক্ষ — ওই তাপমাত্রায় নিরপেক্ষ বিন্দুটিই 6.63, 7 নয়।

10⁻⁸ M HCl-এ এসিডের H₃O⁺ পানির নিজের 10⁻⁷ M-এর চেয়েও কম, তাই দুটিই গুনতে হয়: $[\mathrm{H_3O^+}] = \dfrac{C + \sqrt{C^2 + 4K_w}}{2} = 1.05\times10^{-7}$ M, pH = 6.98। এসিড যোগ করে দ্রবণ ক্ষারীয় (pH 8) হতে পারে না।