পাঠ ৬ / ২০অনুচ্ছেদ ২.৮–২.৮.৩, ২.৮.৫, ২.৯

বেনজিন, অ্যারোমেটিসিটি ও হাকেল নিয়ম (3D)Benzene, aromaticity & Hückel’s rule

এই পাঠের আগে পড়ো (read first): পাঠ ১ — জৈবযৌগ, শ্রেণিবিভাগ, সমগোত্রীয় শ্রেণি ও কার্যকরী মূলক

১৮৬৫ সালে কেকুলে (August Kekulé) বেনজিনের (benzene, C₆H₆) জন্য একটি গঠন প্রস্তাব করেন: ছয়টি কার্বনের একটি বলয় (ring), যেখানে একক বন্ধন (single bond) আর দ্বিবন্ধন (double bond) পালাক্রমে বসানো। আজও পাঠ্যবইয়ে বেনজিন এভাবেই আঁকা হয়। কিন্তু আসল অণু কি তা-ই? নিচে নিজে মেপে দেখো, আর একটি অ্যালকিন (alkene) ও বেনজিনে ব্রোমিন ঢেলে তুলনা করো:

কেকুলের বাজি (Kekulé’s bet) — বেনজিনে (benzene, C₆H₆) কি সত্যিই তিনটি একক আর তিনটি দ্বিবন্ধন পালাক্রমে আছে?

মডেল ক-এর বন্ধন: 134 pm (C=C) ও 154 pm (C–C), পালাক্রমে।

এবার ব্রোমিন দ্রবণ (Br₂ in CCl₄, কমলা রং) ঢালো — একটি অ্যালকিনে, একটি বেনজিনে:

C₆H₆ সূত্র অনুযায়ী বেনজিন ভীষণ অসম্পৃক্ত (unsaturated) — অথচ এটি অ্যালকিনের মতো Br₂ যোগ করে না, আর এর ছয়টি বন্ধন হুবহু সমান। কেন?

এই পাঠে ধাপে ধাপে এর উত্তর খুঁজব:

“অ্যারোমেটিক” মানে কী — অ্যারিন (arene) আর o/m/p নামকরণ
বেনজিন কোথা থেকে আসে — আলকাতরা (coal tar), পেট্রোলিয়াম রিফর্মিং (reforming), পরীক্ষাগার প্রস্তুতি
কেকুলের ধাঁধা — বন্ধন দৈর্ঘ্য আর হাইড্রোজেনেশন শক্তি (hydrogenation energy)
অরবিটাল চিত্র — বিস্তৃত π মেঘ (delocalised π cloud) ও অনুরণন (resonance)
হাকেলের (4n+2) নিয়ম (Hückel’s rule)
অ্যালিফেটিক (aliphatic) বনাম অ্যারোমেটিক (aromatic) যৌগ
এবার নিজে করে দেখো — 3D সিমুলেশন (simulation)

ধাপ ১: “অ্যারোমেটিক” মানে কী

জৈব রসায়নের শুরুতে ফল, গাছের ছাল আর রজন থেকে পাওয়া সুগন্ধি (aromatic) যৌগগুলোকে (যেমন বেনজালডিহাইড, ভ্যানিলিন, দারুচিনির সিনামালডিহাইড) আলাদা দলে রাখা হতো। পরে দেখা গেল এদের প্রায় সবার মধ্যে একটি বেনজিন বলয় আছে, আর গন্ধ নয়, বরং বলয়টির বিশেষ স্থিতিশীলতাই (special stability) এদের আসল মিল। আজ “অ্যারোমেটিক” শব্দের অর্থ এই স্থিতিশীলতা — গন্ধের সঙ্গে আর সম্পর্ক নেই (বেনজিনের অনেক যৌগ গন্ধহীন)।

অ্যারোমেটিক হাইড্রোকার্বনকে বলে অ্যারিন (arene): বেনজিন, টলুইন (toluene), জাইলিন (xylene), ন্যাফথালিন (naphthalene) …
বেনজিনের একটি H সরিয়ে যে মূলক পাওয়া যায় তা ফিনাইল (phenyl, C₆H₅–); সাধারণভাবে অ্যারিনের মূলককে বলে অ্যারাইল (aryl, Ar–)।
বলয়ে দুটি প্রতিস্থাপক (substituent) থাকলে তিনটি অবস্থান সম্ভব — অর্থো (ortho, 1,2), মেটা (meta, 1,3) আর প্যারা (para, 1,4)। ডাইমিথাইলবেনজিনের (জাইলিন) তিনটি সমাণু (isomer) এভাবেই চেনা হয়।

বলয়ের ভেতরের বৃত্তটি ছয়টি বিস্তৃত π ইলেকট্রন বোঝায়। দুটি প্রতিস্থাপক পাশাপাশি (1,2) = অর্থো (ortho, o-), একটি বাদ দিয়ে (1,3) =মেটা (meta, m-), মুখোমুখি (1,4) = প্যারা (para, p-)। ছোট সংখ্যাগুলো বলয়ের কার্বনের ক্রমিক নম্বর।

জৈবযৌগের শ্রেণিবিভাগ মনে করো (পাঠ ১): বদ্ধ-শিকল (closed-chain) যৌগের একটি দল অ্যালিসাইক্লিক (alicyclic), যেমন সাইক্লোহেক্সেন — বলয় আছে, কিন্তু আচরণ খোলা শিকলের অ্যালকেনের মতো। অন্য দলটি অ্যারোমেটিক — বেনজিন আর তার মতো বিশেষ বলয়। দুটির পার্থক্য কী, এই পাঠের শেষে পরিষ্কার হবে।

নিজে যাচাই করো

C₆H₄(CH₃)₂-এর যে সমাণুতে দুটি CH₃ মূলক বলয়ের মুখোমুখি কার্বনে, তার নাম কী?

ধাপ ২: বেনজিন কোথা থেকে আসে

১. আলকাতরা (coal tar): বিটুমিনাস কয়লাকে বাতাস ছাড়া প্রায় 1000 °C-এ উত্তপ্ত করলে (বিধ্বংসী পাতন, destructive distillation) কোক, কোল গ্যাস, অ্যামোনিয়া-জল আর কালো ঘন আলকাতরা পাওয়া যায়। আলকাতরাকে আংশিক পাতন (fractional distillation) করলে:

অংশ (fraction)	তাপমাত্রা	ভর (আনুমানিক)	প্রধান উপাদান
লঘু তেল (light oil)	170 °C পর্যন্ত	≈ 2–5%	বেনজিন, টলুইন, জাইলিন (+ পিরিডিন, ফেনল অল্প)
মধ্যম তেল (middle oil)	170–230 °C	≈ 10%	ফেনল, ক্রিসল (cresol), ন্যাফথালিন
ভারী তেল (heavy / creosote oil)	230–270 °C	≈ 10%	ক্রিসল, ন্যাফথালিন, কুইনোলিন
সবুজ তেল (anthracene oil)	270–360 °C	≈ 20%	অ্যানথ্রাসিন (anthracene), ফিনানথ্রিন
পিচ (pitch)	অবশেষ (residue)	≈ 55–60%	কার্বনসমৃদ্ধ অবশেষ

লঘু তেলে নিরপেক্ষ (neutral) হাইড্রোকার্বনের সঙ্গে ক্ষারীয় (basic) পিরিডিন-অ্যানিলিন আর অম্লীয় (acidic) ফেনল মিশে থাকে। তাই প্রথমে গাঢ় H₂SO₄ দিয়ে ধুয়ে ক্ষারগুলো, তারপর NaOH দিয়ে ধুয়ে ফেনল সরানো হয়; পরে আংশিক পাতনে 80–82 °C অংশ, আর বরফ-লবণে ঠান্ডা করলে বেনজিন কেলাস (m.p. 5.5 °C) — পুরো পদ্ধতিটি সিমুলেশনের “আলকাতরা” ট্যাবে নিজে করবে।

২. পেট্রোলিয়াম — রিফর্মিং (reforming): আজ বেশিরভাগ বেনজিন আসে পেট্রোলিয়াম থেকে। ন্যাফথার n-হেক্সেনকে Pt/Al₂O₃ প্রভাবকে (catalyst) প্রায় 500 °C-এ চাপে উত্তপ্ত করলে প্রথমে বলয় বন্ধ হয় (cyclisation), তারপর H সরে যায় (dehydrogenation):

\ce{C6H14 ->[-H2] C6H12 ->[-3H2] C6H6}

\text{overall:}\quad \ce{C6H14 -> C6H6 + 4H2}

মোট 4H₂ বের হয় (বলয় বন্ধ হতে একটি, তারপর তিনটি)। একইভাবে n-হেপ্টেন → টলুইন + 4H₂।

৩. পরীক্ষাগারে প্রস্তুতি (laboratory preparation) — বোর্ড পরীক্ষার প্রিয় সমীকরণ:

(ক) সোডিয়াম বেনজোয়েট + সোডালাইম (soda lime), তাপ — বিকার্বক্সিলেশন (decarboxylation):

\ce{C6H5COONa + NaOH ->[CaO][\Delta] C6H6 + Na2CO3}

(খ) ফেনল + জিংক চূর্ণ (zinc dust), তাপ:

\ce{C6H5OH + Zn ->[\Delta] C6H6 + ZnO}

(গ) ইথাইনের চক্রীয় ত্রিমারকরণ (cyclic trimerisation) — লোহিত-তপ্ত লোহার নলে (red-hot iron tube):

\ce{3HC#CH ->[\text{Fe}][\Delta] C6H6}

(ঘ) গ্রিগনার্ড বিকারক (Grignard reagent) + পানি:

\ce{C6H5MgCl + H2O -> C6H6 + Mg(OH)Cl}

(ঙ) বেনজিন ডায়াজোনিয়াম ক্লোরাইড (benzenediazonium chloride) + হাইপোফসফরাস এসিড:

\begin{aligned} &\ce{C6H5N2Cl + H3PO2 + H2O}\\ &\qquad \ce{-> C6H6 + H3PO3 + N2 + HCl} \end{aligned}

টলুইন বানানো যায় বেনজিন থেকে — ফ্রিডেল-ক্রাফটস অ্যালকাইলেশন (Friedel–Crafts alkylation), অথবা ক্লোরোবেনজিন থেকে উর্টজ-ফিটিগ (Wurtz–Fittig) বিক্রিয়ায়:

\ce{C6H6 + CH3Cl ->[\text{AlCl3}] C6H5CH3 + HCl}

\ce{C6H5Cl + 2Na + CH3Cl ->[\text{dry ether}] C6H5CH3 + 2NaCl}

নিজে যাচাই করো

n-হেক্সেন (C₆H₁₄) থেকে রিফর্মিংয়ে এক অণু বেনজিন তৈরি হলে কয় অণু H₂ বের হয়?

ধাপ ৩: কেকুলের ধাঁধা

কেকুলের সাইক্লোহেক্সাট্রাইন (cyclohexatriene) — তিনটি একক আর তিনটি দ্বিবন্ধন — সত্যি হলে তিনটি ভবিষ্যদ্বাণী মিলত:

কেকুলে মডেলের ভবিষ্যদ্বাণী	আসলে যা দেখা যায়
তিনটি বন্ধন 154 pm (C–C), তিনটি 134 pm (C=C)	ছয়টিই 139.7 pm — মাঝামাঝি (X-রশ্মি ও ইলেকট্রন বিচ্ছুরণ, NIST CCCBDB)
অ্যালকিনের মতো Br₂/CCl₄-এর লাল-কমলা রং আর বেয়ার বিকারকের (Baeyer’s reagent, ক্ষারীয় KMnO₄) বেগুনি রং মুছে দেবে	কোনোটিই মোছে না
সহজে সংযোজন (addition) বিক্রিয়া	সংযোজন খুব কঠিন; বরং H প্রতিস্থাপন (substitution) হয়

চতুর্থ প্রমাণটি সবচেয়ে সুন্দর — হাইড্রোজেনেশন তাপ (heat of hydrogenation)। একটি C=C-এ H₂ যোগ হলে তাপ বের হয়। সাইক্লোহেক্সিনের একটি C=C থেকে বের হয় 119.7 kJ/mol। তাহলে “তিনটি C=C”-এর বেনজিন থেকে প্রায় তিন গুণ বের হওয়ার কথা। নিচে নিজে H₂ যোগ করে দেখো:

হাইড্রোজেনেশন তাপ (heat of hydrogenation) — প্রতিটি বলয়ে H₂ যোগ করে সাইক্লোহেক্সেন (cyclohexane) বানাও

প্রথমে সাইক্লোহেক্সিনে H₂ দাও — একটি বিচ্ছিন্ন C=C ভাঙলে কত তাপ বের হয়?

তথ্য: গ্যাস দশায় মাপা ΔH, ≈ 355 K (Kistiakowsky ও সহকর্মী; NIST WebBook)। বিভিন্ন উৎসে ±2 kJ/mol পার্থক্য থাকে; অনেক বই "≈ 150 kJ/mol" লেখে।

\begin{aligned} E_{\text{res}} &= 3 \times 119.7 - 208.4\\ &= 359.1 - 208.4 \approx 151\ \text{kJ mol}^{-1} \end{aligned}

বেনজিন কেকুলের কল্পিত সাইক্লোহেক্সাট্রাইনের চেয়ে প্রায় 151 kJ/mol বেশি স্থিতিশীল। এই বাড়তি স্থিতিকে বলে অনুরণন শক্তি (resonance energy) বা বিস্তার শক্তি (delocalisation energy); বেশিরভাগ বইয়ে লেখা থাকে ”≈ 150 kJ/mol”। এজন্যই বেনজিন সংযোজনে রাজি নয়: সংযোজন হলে বলয়ের এই স্থিতি হারাতে হয়, আর প্রতিস্থাপনে বলয়টি অটুট থাকে।

নিজে যাচাই করো

বেনজিনের মাপা হাইড্রোজেনেশন তাপ প্রত্যাশিত মানের (−359 kJ/mol) চেয়ে কম কেন?

ধাপ ৪: অরবিটাল চিত্র — বিস্তৃত π মেঘ

অরবিটাল সংকরণ পাঠে দেখেছ, তিনটি σ বন্ধন করা কার্বন sp² সংকরিত — তিনটি sp² অরবিটাল একই তলে 120° দূরে, আর একটি অসংকরিত 2p অরবিটাল তলের লম্বভাবে। বেনজিনে:

σ কাঠামো (σ framework): প্রতিটি C তার তিনটি sp² অরবিটালে দুই পাশের দুটি C (sp²–sp²) আর একটি H-এর (sp²–1s) সঙ্গে σ বন্ধন করে। মোট 6টি C–C আর 6টি C–H = 12টি σ বন্ধন; সব কোণ 120°, পুরো অণু সমতলীয় (planar) ষড়ভুজ।
ছয়টি p অরবিটাল: প্রতিটি C-এর অসংকরিত $2p_z$ অরবিটালে একটি ইলেকট্রন — ছয়টি সমান্তরাল p অরবিটাল, ছয়টি ইলেকট্রন।
একটানা অধিক্রমণ: প্রতিটি p অরবিটাল শুধু একটি প্রতিবেশীর সঙ্গে নয়, দুই পাশের দুই প্রতিবেশীর সঙ্গেই পাশাপাশি (side-on) অধিক্রমণ করে। ফলে তিনটি আলাদা π বন্ধন নয়, তৈরি হয় বলয়ের ওপরে আর নিচে দুটি বলয়াকার (doughnut-shaped) π মেঘ — একটিই π ব্যবস্থা, যার 6টি ইলেকট্রন পুরো বলয়ে ছড়ানো (delocalised)।

ইলেকট্রন যত বড় জায়গায় ছড়াতে পারে, শক্তি তত কমে — এটাই সেই 151 kJ/mol স্থিতির উৎস। আর সব বন্ধনে সমান ইলেকট্রন ঘনত্ব বলে ছয়টি বন্ধনই সমান (139.7 pm)। নিচে একটি p অরবিটাল মুচড়ে দেখো, আর ডান দিকে বলয়ের আণবিক অরবিটালে (molecular orbital) ইলেকট্রন ভরে দেখো:

ছয়টি p অরবিটাল (p orbitals) পাশাপাশি — একটিকে মুচড়ে দাও, π মেঘের কী হয়?

3D লোড হচ্ছে…

ছয়টি p সমান্তরাল — অবিচ্ছিন্ন π মেঘcontinuous π cloud above and below the ring

p লোব +p লোব −π মেঘ (π cloud)σ কাঠামো (σ framework)

আঙুল দিয়ে ঘোরাও (drag to rotate)। একটি কার্বন বেছে নাও — তার p অরবিটাল 90° মুচড়ে বলয়ের তলে শুয়ে পড়বে।

প্রতিটি p অরবিটাল দুই পাশের প্রতিবেশীর সঙ্গে পাশাপাশি (side-on) অধিক্রমণ করছে — বলয়ের ওপরে আর নিচে একটি করে অবিচ্ছিন্ন বলয়াকার মেঘ। 6টি π ইলেকট্রন পুরো বলয়ে ছড়িয়ে আছে (delocalised)।

কয়টি ইলেকট্রন হলে মেঘ "ভরা"? বলয়ের p অরবিটালগুলো মিলে যত আণবিক অরবিটাল (molecular orbital) — নিচের বৃত্তে তাদের শক্তির ধাপ। ইলেকট্রন যোগ করে দেখো।

বলয়ের পরমাণু (ring size):

π ইলেকট্রন (electrons):6

সব ইলেকট্রন জোড়ায় জোড়ায় — বদ্ধ খোলস (closed shell)। 6 = 4×1+2 ✓

সবচেয়ে নিচের অরবিটাল একা, তার ওপরের বন্ধনী অরবিটালগুলো জোড়ায় জোড়ায় সমশক্তির (degenerate)। তাই প্রথম 2টি, তারপর প্রতি জোড়ায় 4টি করে ইলেকট্রনে ধাপ পূর্ণ হয়: 2, 6, 10 … = 4n + 2। (সরল হাকেল তত্ত্ব, simple Hückel theory।)

বেনজিনকে কাগজে আঁকতে আমরা দুটি কেকুলে গঠন (Kekulé structures) আঁকি, মাঝে ↔ চিহ্ন। এর মানে এই নয় যে অণুটি দুই রূপের মধ্যে ঝটপট দোল খায়, বা π ইলেকট্রন “সর্বদা স্থান পরিবর্তন করে”। আসল অণু সবসময় একটিই — দুটি আঁকার মাঝামাঝি একটি অনুরণন সংকর (resonance hybrid)। তাই বেনজিন প্রায়ই বলয়ের ভেতরে একটি বৃত্ত দিয়ে আঁকা হয়।

দুটি কেকুলে গঠন অণুটির দুটি অসম্পূর্ণ ছবি; ↔ চিহ্ন মানে "এদের মাঝামাঝি একটি গঠন", "এদিক-ওদিক দোলা" নয়। আসল বেনজিন সবসময় একটিই সংকর (resonance hybrid): ছয়টি বন্ধনই 139.7 pm, π ইলেকট্রন সারাক্ষণ পুরো বলয়ে ছড়ানো। যেমন খচ্চর (mule) অর্ধেক সময় ঘোড়া আর অর্ধেক সময় গাধা নয় — সবসময়ই খচ্চর।

নিজে যাচাই করো

বেনজিনের একটি নির্দিষ্ট C–C বন্ধন সম্পর্কে কোনটি ঠিক?

ধাপ ৫: হাকেলের (4n+2) নিয়ম

১৯৩১ সালে এরিখ হাকেল (Erich Hückel) আণবিক অরবিটাল তত্ত্ব দিয়ে দেখান, শুধু বেনজিন নয় — যেকোনো বলয় অ্যারোমেটিক হবে যদি চারটি শর্ত একসঙ্গে মেলে:

অণুটি চক্রাকার (cyclic)।
বলয়টি সমতলীয় (planar) — নইলে p অরবিটাল পাশাপাশি মেলে না।
বলয়ের প্রতিটি পরমাণুতে একটি p অরবিটাল থাকে, যাতে π মেঘ বলয় ঘুরে অবিচ্ছিন্ন হয় (মাঝে কোনো sp³ CH₂ থাকলে চলবে না)।
π মেঘে মোট (4n + 2)টি ইলেকট্রন থাকে, যেখানে n = 0, 1, 2, 3 … যেকোনো পূর্ণসংখ্যা — অর্থাৎ 2, 6, 10, 14 …

একই তিন শর্ত মেলে কিন্তু π ইলেকট্রন 4n (4, 8 …) হলে অণুটি বিস্তারে স্থিতি পায় না, উল্টো অস্থিতিশীল হয় — একে বলে অ্যান্টিঅ্যারোমেটিক (antiaromatic)। আর প্রথম তিন শর্তের কোনোটি না মিললে অণুটি অ্যারোমেটিক নয় (non-aromatic)।

n মানে বলয়ের সংখ্যা নয়। n শুধু একটি পূর্ণসংখ্যা যা 4n+2-কে π ইলেকট্রনের সংখ্যার সমান করে। বেনজিনে (একটি বলয়) n = 1 আর ন্যাফথালিনে (দুটি বলয়) n = 2 মিলে যাওয়াটা কাকতালীয় — একক বলয়ের সাইক্লোপ্রোপিনাইল ক্যাটায়নে n = 0, আর একক আট-সদস্যের বলয় C₈H₈²⁻-তে n = 2।

π ইলেকট্রন গোনার নিয়ম:

প্রতিটি বলয়-দ্বিবন্ধন (C=C, C=N) → 2টি।
ঋণাত্মক কার্বন (carbanion) → তার নিঃসঙ্গ জোড় p অরবিটালে যায় → 2টি। ধনাত্মক কার্বনের p অরবিটাল খালি → 0টি (কিন্তু লুপ পূর্ণ রাখে)।
বলয়ের N, O, S-এর নিঃসঙ্গ জোড় (lone pair): পরমাণুটির যদি কোনো দ্বিবন্ধন না থাকে (পাইরোলের N–H, ফিউরানের O), একটি জোড় p অরবিটালে বসে π মেঘে যোগ দেয় → 2টি। পরমাণুটি নিজেই দ্বিবন্ধনে থাকলে (পিরিডিনের N) তার p অরবিটাল ইতিমধ্যে ভরা, জোড়টি তলে sp² অরবিটালে থাকে → গোনা হয় না।

বলয়	π ইলেকট্রন	n	রায়
সাইক্লোপ্রোপিনাইল ক্যাটায়ন (C₃H₃⁺)	2	0	অ্যারোমেটিক
সাইক্লোবিউটাডাইইন (C₄H₄)	4	—	অ্যান্টিঅ্যারোমেটিক
সাইক্লোপেন্টাডাইইন (C₅H₆)	4 (sp³ CH₂ লুপ ভাঙে)	—	অ্যারোমেটিক নয়
সাইক্লোপেন্টাডাইইনাইল অ্যানায়ন (C₅H₅⁻)	6	1	অ্যারোমেটিক
বেনজিন, পিরিডিন (pyridine)	6	1	অ্যারোমেটিক
পাইরোল (pyrrole), ফিউরান (furan), থায়োফিন (thiophene)	4 + 2 (হেটেরো পরমাণুর একটি জোড়) = 6	1	অ্যারোমেটিক
ট্রপিলিয়াম ক্যাটায়ন (C₇H₇⁺, সাত-সদস্যের বলয়)	6	1	অ্যারোমেটিক
সাইক্লোঅক্টাটেট্রাইন (C₈H₈)	8, সমতলীয় নয় (টব-আকার)	—	অ্যারোমেটিক নয়
ন্যাফথালিন (C₁₀H₈) / অ্যানথ্রাসিন (C₁₄H₁₀)	10 / 14	2 / 3	অ্যারোমেটিক

এবার নিজে গুনে দেখো — বলয় বেছে নাও, যেসব দ্বিবন্ধন আর নিঃসঙ্গ জোড়ের ইলেকট্রন π মেঘে আছে সেগুলোতে ট্যাপ করো, তারপর রায় দাও:

হাকেল যাচাইযন্ত্র (Hückel checker) — একটি বলয় বেছে নাও, π ইলেকট্রন গোনো, তারপর রায় দাও

পিরিডিন (pyridine)

ধাপ ১: যেসব দ্বিবন্ধন (double bond) আর নিঃসঙ্গ জোড়ের (lone pair, •• চিহ্ন) ইলেকট্রন বলয়ের π মেঘে আছে, সেগুলোতে ট্যাপ করো। ধনাত্মক C-এর p খালি — 0 ইলেকট্রন।

তোমার গোনা π ইলেকট্রন:0

নিজে যাচাই করো

পিরিডিন (C₅H₅N) আর পাইরোল (C₄H₄NH) — দুটিতেই N-এর একটি নিঃসঙ্গ জোড় আছে। কোনটির জোড় π ইলেকট্রন হিসেবে গোনা হয়?

ধাপ ৬: অ্যালিফেটিক বনাম অ্যারোমেটিক যৌগ

বৈশিষ্ট্য	অ্যালিফেটিক (aliphatic)	অ্যারোমেটিক (aromatic)
গঠন	খোলা শিকল, বা অ্যারোমেটিক নয় এমন বলয় (সাইক্লোহেক্সেন)	সমতলীয় বলয়, (4n+2)টি বিস্তৃত π ইলেকট্রন
কার্বনের শতাংশ ও শিখা	কম: CH₄-এ 74.9%, হেক্সেনে 83.6% C; প্রায় ধোঁয়াহীন শিখা	বেশি: বেনজিনে 92.3% C; প্রচুর কালো ধোঁয়ার (sooty) শিখা
Br₂/CCl₄ ও বেয়ার পরীক্ষা	অ্যালকিন-অ্যালকাইন রং মুছে দেয় (সংযোজন)	বেনজিন রং মোছে না
প্রধান বিক্রিয়া	অ্যালকিনে ইলেকট্রোফিলিক সংযোজন (electrophilic addition)	ইলেকট্রোফিলিক প্রতিস্থাপন (electrophilic substitution): হ্যালোজিনেশন, নাইট্রেশন, সালফোনেশন, ফ্রিডেল-ক্রাফটস; সংযোজন শুধু কঠিন শর্তে
হ্যালাইডের সক্রিয়তা	CH₃Cl জলীয় KOH-এ সহজেই CH₃OH হয়	C₆H₅Cl শুধু NaOH-এর সঙ্গে ≈ 350 °C ও উচ্চ চাপে ফেনল দেয়
–OH যৌগ	অ্যালকোহল প্রায় নিরপেক্ষ (pKa ≈ 16), NaOH-এর সঙ্গে বিক্রিয়া করে না	ফেনল দুর্বল অম্ল (pKa ≈ 10), NaOH-এ দ্রবীভূত হয়ে সোডিয়াম ফিনক্সাইড দেয়
সংযোজনের কৌশল	—	Cl₂/সূর্যালোক (hν): মুক্ত মূলক (free radical); H₂/Ni (≈ 150–200 °C): প্রভাবকের তলে হাইড্রোজেনেশন, মুক্ত মূলক নয়

বেনজিনের শতাংশ হিসাব: $\%\,\text{C} = \dfrac{6 \times 12.011}{78.11} \times 100 = 92.3\%$ । কার্বন বেশি বলে বাতাসে পুড়লে সব কার্বন CO₂ হতে পারে না — কালো ঝুল (soot) বের হয়। প্রতিস্থাপন বিক্রিয়াগুলোর কৌশল (mechanism) আর অর্থো/প্যারা/মেটা নির্দেশনা পরে পাঠ ৮-এ দেখব।

নিজে যাচাই করো

দুটি বোতলে সাইক্লোহেক্সিন আর বেনজিন। কোন পরীক্ষায় সহজে আলাদা করা যাবে?

ধাপ ৭: এবার নিজে করে দেখো

ধারণাগুলো এখন তোমার জানা। নিচের ল্যাবে পাঁচটি অংশ:

3D গঠন: বেনজিন ঘুরিয়ে দেখো; σ কাঠামো, ছয়টি p অরবিটাল আর π মেঘ আলাদা আলাদা চালু-বন্ধ করো। পাশ থেকে দেখো মেঘ দুটি কোথায়। “কেকুলে গঠন” চাপলে দুটি আঁকা দেখা যাবে — মনে রেখো, ওগুলো আঁকা মাত্র।
শক্তি: H₂ যোগ করে অনুরণন শক্তি নিজে হিসাব করো।
হাকেল: ১৪টি বলয়ের π ইলেকট্রন গুনে রায় দাও — প্রতিটি রায় পর্যবেক্ষণ খাতায় (observation notebook) জমা হবে।
আলকাতরা: লঘু তেল থেকে ধাপে ধাপে বিশুদ্ধ বেনজিন বানাও — ভুল ক্রমে চাপলে কারণ জানাবে।
প্রস্তুতি: শুরুর যৌগ আর বিকারক মিলিয়ে বেনজিনের ছয়টি প্রস্তুতি পদ্ধতি বের করো।

বেনজিন 3D ল্যাব

Benzene in 3D — structure, energy, Hückel’s rule, coal tar, preparation

↗

3D লোড হচ্ছে…

C₆H₆ — বেনজিন (benzene)সমতলীয় ষড়ভুজ, প্রতিটি C sp², সব কোণ 120°

σ বন্ধন (σ bonds)π মেঘ (π cloud)

আঙুল দিয়ে ঘোরাও, দুই আঙুলে জুম। পাশ থেকে দেখো — π মেঘ বলয়ের তলের ওপরে আর নিচে।

C–C দৈর্ঘ্য (bond length): 6 × 139.7 pm
বন্ধন কোণ (bond angle): 120°
σ বন্ধন: 12 (6 C–C + 6 C–H)
π ইলেকট্রন (বিস্তৃত): 6

ছয়টি p অরবিটাল দুই পাশের প্রতিবেশীর সঙ্গে পাশাপাশি অধিক্রমণ করে বলয়ের ওপরে ও নিচে দুটি বলয়াকার মেঘ বানায় — একটি π ব্যবস্থা, 6টি ইলেকট্রন পুরো বলয়ে।

আলকাতরার আংশিক পাতন (fractional distillation of coal tar) — একটি অংশে ট্যাপ করো

লঘু তেল (light oil) · 170 °C পর্যন্ত · ভর ≈ 2–5%
প্রধান উপাদান: বেনজিন, টলুইন, জাইলিন (+ পিরিডিন, ফেনল অল্প)

শতাংশ ও তাপমাত্রার সীমা আনুমানিক (approximate) — কয়লার ধরন অনুযায়ী বদলায়।

লঘু তেল (light oil) থেকে বিশুদ্ধ বেনজিন — ঠিক ক্রমে ধাপগুলো চালাও

বেনজিন

টলুইন

জাইলিন

ফেনল

বেনজিন (নিরপেক্ষ, b.p. 80.1 °C)টলুইন (নিরপেক্ষ, b.p. 110.6 °C)জাইলিন (নিরপেক্ষ, b.p. 144.4 °C)থায়োফিন (নিরপেক্ষ, b.p. 84 °C)পিরিডিন (ক্ষারীয়, b.p. 115.2 °C)অ্যানিলিন (ক্ষারীয়, b.p. 184.1 °C)ফেনল (অম্লীয়, b.p. 181.7 °C)

বেনজিনের বিশুদ্ধতা (purity): 58.0% (আনুমানিক মিশ্রণ, illustrative)

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6

শক্তি ট্যাবে সাইক্লোহেক্সিন আর বেনজিনে H₂ দাও, তারপর বেনজিনের অনুরণন শক্তি (resonance energy) হিসাব করে লেখো।
এমন একটি পাঁচ সদস্যের বলয় খুঁজে বের করো যা অ্যারোমেটিক, আর দেখাও তার 6টি π ইলেকট্রন কোথা থেকে আসে (যেমন পাইরোল)।
মাত্র 2টি π ইলেকট্রনের একটি অ্যারোমেটিক আয়ন খুঁজে বের করো।
সাইক্লোঅক্টাটেট্রাইন (C₈H₈) কেন অ্যারোমেটিক নয়? হাকেল ট্যাবে যাচাই করো।
আলকাতরা ট্যাবে লঘু তেল থেকে বিশুদ্ধ বেনজিন বানাও। কোন ধোয়ায় ফেনল দূর হয়?
প্রস্তুতি ট্যাবে বেনজিন তৈরির অন্তত তিনটি পরীক্ষাগার পদ্ধতি মেলাও। (0/3)

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

হাকেল ট্যাবে একটি বলয়ের রায় দিলে এখানে সারি যোগ হবে।

বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের এই অংশে কিছু ভুল আর অস্পষ্টতা আছে:

হাকেল নিয়ম, “বলয়ে 5 অথবা 6টি পরমাণু থাকতে হবে”: ভুল। যেকোনো সমতলীয়, পূর্ণ সংযুক্ত বলয়ে নিয়মটি খাটে — বইয়ের নিজের উদাহরণ সাইক্লোপ্রোপিনাইল ক্যাটায়নেই (3) তিনটি পরমাণু; ট্রপিলিয়াম (7), C₈H₈²⁻ (8), [18]অ্যানুলিনও (18) অ্যারোমেটিক।
“n দ্বারা পঞ্চভুজ বা ষড়ভুজ বলয়ের সংখ্যা বোঝায়”: ভুল। n শুধু একটি পূর্ণসংখ্যা (0, 1, 2 …) যা 4n+2-কে π ইলেকট্রনের সংখ্যার সমান করে (IUPAC Gold Book)। বেনজিন-ন্যাফথালিনে মিলে যাওয়া কাকতালীয়।
রিফর্মিংয়ের সমীকরণ “C₆H₁₄ → C₆H₆ + 3H₂” (হেপ্টেন-অক্টেনেরগুলোও): মেলে না। সঠিক: C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂ (বলয় বন্ধ হতেও একটি H₂ যায়)।
“n-অক্টেন থেকে o-জাইলিন + p-জাইলিন”: n-অক্টেনের বলয় বন্ধ হয়ে পাওয়া যায় o-জাইলিন আর ইথাইলবেনজিন; p-জাইলিন পেতে শিকলের কাঠামো বদলানো (isomerisation) লাগে।
“C₆H₄(CH₃)₂ + H₂ → C₆H₆ + C₂H₆”: পরমাণু-হিসাব মিললেও রসায়ন ভুল — দুটি CH₃ আলাদা কার্বনে, তারা জুড়ে ইথেন হয় না; প্রতিটি মিথেন হয়ে বের হয়: C₈H₁₀ + 2H₂ → C₆H₆ + 2CH₄।
প্রভাবক “Pt, Al গুঁড়া”: হবে Pt, অ্যালুমিনার (Al₂O₃) ওপর — বইয়ের নিজের সমীকরণেই Pt/Al₂O₃ লেখা।
অনুরণনে π ইলেকট্রন “সর্বদা স্থান পরিবর্তন করে”: ভুল ধারণা। কেকুলে গঠনগুলো পরস্পরে বদলায় না; বেনজিন সবসময় একটিই সংকর, π ইলেকট্রন স্থায়ীভাবে পুরো বলয়ে বিস্তৃত।
“বন্ধন দূরত্ব 0.134 থেকে বেড়ে 0.139 nm হয়েছে, ফলে স্থায়িত্ব বেড়েছে”: কার্যকারণ উল্টো। স্থিতি আসে π ইলেকট্রনের বিস্তার থেকে; সমান দৈর্ঘ্য (139.7 pm) সেই বিস্তারেরই আরেকটি ফল, কারণ নয়।
“সব অ্যারোমেটিক হাইড্রোকার্বনে বেনজিন বলয় থাকে”: ঠিক নয় — অ্যাজুলিন (azulene, 5+7 বলয়) বা বইয়ের নিজের সাইক্লোপ্রোপিনাইল ক্যাটায়ন বেনজিন বলয় ছাড়াই অ্যারোমেটিক।
C₆H₆Cl₆-কে “গ্যামেক্সিন/লিনডেন” বলা: বেনজিন + 3Cl₂ (সূর্যালোক) থেকে পাওয়া C₆H₆Cl₆ কয়েকটি ত্রিমাত্রিক সমাণুর মিশ্রণ (BHC/HCH); লিনডেন শুধু γ-সমাণুটি (মিশ্রণের ≈ 12–14%)।
পার্থক্যের সারণির ৭ নম্বর সারি, “বেনজিনে H₂ ও Cl₂ সংযোজন ফ্রি-রেডিকেল মেকানিজমে”: Cl₂/সূর্যালোক মুক্ত মূলক কৌশলে ঠিক, কিন্তু H₂/Ni হলো প্রভাবকের তলে হাইড্রোজেনেশন — মুক্ত মূলক নয়।
বেনজিনের স্ফুটনাঙ্ক “80.4 °C” আর কেলাস “5.4 °C”: আসল মান b.p. 80.1 °C, m.p. 5.5 °C (NIST)।
প্রশ্নব্যাংকের MCQ 19 (অ্যানিলিনে σ বন্ধন): উত্তর-সংকেত 6 ভুল। সঠিক 14 — 6টি C–C, 5টি C–H, 1টি C–N, 2টি N–H।
প্রশ্নব্যাংকের MCQ 222: উত্তর-সংকেত (ii, iii) যে বিবৃতি (ii) “টলুইন অ্যারোমেটিক নয়” ধরে নেয়, সেটি ভুল — টলুইনে বেনজিন বলয় অটুট, এটি অ্যারোমেটিক। সঠিক উত্তর (i, iii)।

ঘরে বসে পরীক্ষা: কাগজের π মেঘ

বেনজিনের “ওপরে-নিচে দুটি মেঘ” ব্যাপারটি হাতে ধরে দেখার জন্য একটি কাগজের মডেল বানাও। কোনো রাসায়নিক লাগবে না — আর বেনজিন, পেট্রোল বা ন্যাপথলিনের বল (mothball) একদম ব্যবহার করবে না; এগুলো বিষাক্ত, বেনজিন ক্যানসার সৃষ্টিকারী (carcinogen)।

ছয়টি না-জ্বালানো দেশলাইয়ের কাঠি বা টুথপিক দিয়ে টেবিলে একটি সুষম ষড়ভুজ বানাও (প্রতিটি কোণ 120°) — এটি σ কাঠামো।
প্রতিটি কোণে একটি করে ছোট কাগজের “আট”-আকৃতি (∞) খাড়া করে দাঁড় করাও, উপরের অর্ধেক নীল আর নিচের অর্ধেক লাল রং করো — এগুলো ছয়টি p অরবিটাল।
শক্ত কাগজ থেকে ষড়ভুজের সমান মাপের দুটি রিং (ডোনাটের মতো বলয়) কেটে নাও। একটি p অরবিটালগুলোর মাথার ওপর, অন্যটি নিচের দিকে (দুটি বইয়ের ফাঁকে ষড়ভুজ রেখে) বসাও — এ দুটিই বিস্তৃত π মেঘ।
এবার একটি “p অরবিটাল” 90° ঘুরিয়ে শুইয়ে দাও। ওপরের রিংটি কি আর এক টুকরোয় সব p-কে ছুঁয়ে থাকতে পারে? এখানে কাঁচি দিয়ে রিংটি কেটে দাও — সিমুলেশনে যে “ভাঙা মেঘ” দেখেছ, এটাই সেটা।

নিরাপত্তা: কাঠিগুলো জ্বালাবে না; কাঁচি সাবধানে ব্যবহার করো, ছোট ভাইবোনের নাগাল থেকে কাঠি-কাঁচি দূরে রাখো।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. অ্যারোমেটিসিটি কী? হাকেলের নিয়ম লেখো। ন্যাফথালিন অ্যারোমেটিক কেন?

চক্রাকার, সমতলীয়, পূর্ণ সংযুক্ত (প্রতিটি বলয়-পরমাণুতে p অরবিটাল) একটি বলয়ে (4n+2)টি π ইলেকট্রন বিস্তৃত থাকলে তা বাড়তি স্থিতি পায়, সংযোজনের বদলে প্রতিস্থাপন বিক্রিয়া দেয় — এই বৈশিষ্ট্যকে অ্যারোমেটিসিটি বলে।

হাকেল নিয়ম: (১) অণুটি চক্রাকার; (২) সমতলীয়; (৩) বলয়ের প্রতিটি পরমাণুতে একটি p অরবিটাল থাকে, যাতে π মেঘ অবিচ্ছিন্ন; (৪) π ইলেকট্রনের সংখ্যা 4n + 2, যেখানে n = 0, 1, 2 … যেকোনো পূর্ণসংখ্যা।

ন্যাফথালিন (C₁₀H₈): 10টি কার্বনই sp², অণুটি সমতলীয়; প্রতিটি C-এর একটি p অরবিটাল মিলে অবিচ্ছিন্ন π ব্যবস্থা। পাঁচটি C=C থেকে 10টি π ইলেকট্রন = 4(2) + 2, n = 2। তাই ন্যাফথালিন অ্যারোমেটিক। (n = 2 বলয়ের সংখ্যা নয় — কাকতালীয় মিল।)

২. বেনজিনের হাইড্রোজেনেশন তাপ −208.4 kJ/mol আর সাইক্লোহেক্সিনের −119.7 kJ/mol। বেনজিনের অনুরণন শক্তি হিসাব করো এবং এ থেকে কী বোঝা যায় লেখো।

বেনজিনে কেকুলের মতো তিনটি বিচ্ছিন্ন C=C থাকলে প্রত্যাশিত তাপ:

\Delta H_{\text{expected}} = 3 \times (-119.7) = -359.1\ \text{kJ mol}^{-1}

E_{\text{resonance}} = (-208.4) - (-359.1) = 150.7 \approx 151\ \text{kJ mol}^{-1}

দুই ক্ষেত্রে শেষ বস্তু একই (সাইক্লোহেক্সেন), তাই বেনজিন শুরু থেকেই কল্পিত সাইক্লোহেক্সাট্রাইনের চেয়ে ≈ 151 kJ/mol নিচু শক্তিতে — অর্থাৎ বেশি স্থিতিশীল। এটি π ইলেকট্রনের বিস্তারের (delocalisation) ফল। সংযোজন করলে এই স্থিতি হারাতে হয়, তাই বেনজিন প্রতিস্থাপন বিক্রিয়া পছন্দ করে।

৩. পিরিডিন ও পাইরোল দুটিই অ্যারোমেটিক — ব্যাখ্যা করো। কোনটি বেশি ক্ষারীয় এবং কেন?

পিরিডিন (C₅H₅N): ছয়-সদস্যের সমতলীয় বলয়, পাঁচটি C আর N সবই sp²। তিনটি দ্বিবন্ধন (দুটি C=C, একটি C=N) থেকে 6টি π ইলেকট্রন = 4(1)+2। N-এর নিঃসঙ্গ জোড়টি বলয়ের তলে sp² অরবিটালে — π মেঘের অংশ নয়।

পাইরোল (C₄H₄NH): পাঁচ-সদস্যের সমতলীয় বলয়। দুটি C=C থেকে 4টি, আর N-H-এর N-এর নিঃসঙ্গ জোড় p অরবিটালে বসে আরও 2টি — মোট 6 = 4(1)+2।

ক্ষারধর্ম: পিরিডিন বেশি ক্ষারীয়। তার N-এর জোড়টি তলে আলাদা পড়ে আছে, H⁺ নিলেও অ্যারোমেটিক মেঘ ভাঙে না। পাইরোলের জোড়টি π মেঘের অংশ — H⁺ নিলে অ্যারোমেটিসিটি হারাতে হবে, তাই পাইরোল প্রায় ক্ষারধর্মহীন।

৪. ইথেন, ইথিন ও বেনজিনের C–C বন্ধন দৈর্ঘ্য তুলনা করো। বেনজিন সংযোজনের বদলে প্রতিস্থাপন বিক্রিয়া দেয় কেন?

ইথেন C–C 154 pm (শুধু σ) > বেনজিন 139.7 pm > ইথিন C=C 134 pm (σ + পূর্ণ π)। বেনজিনে প্রতিটি C–C-তে একটি σ আর তিনটি π জোড়ের ছয় বন্ধনে ভাগাভাগি — বন্ধন ক্রম ≈ 1.5, তাই দৈর্ঘ্য মাঝামাঝি এবং ছয়টিই সমান।

বেনজিনের 6টি π ইলেকট্রন পুরো বলয়ে বিস্তৃত, এতে ≈ 151 kJ/mol বাড়তি স্থিতি। সংযোজন হলে অন্তত একটি C sp³ হয়ে যায়, π লুপ ভেঙে এই স্থিতি হারায়। প্রতিস্থাপনে একটি H সরে ইলেকট্রোফাইল বসে, বলয়ের 6টি π ইলেকট্রন অটুট থাকে। তাই বেনজিন হ্যালোজিনেশন, নাইট্রেশন, সালফোনেশন, ফ্রিডেল-ক্রাফটসের মতো ইলেকট্রোফিলিক প্রতিস্থাপন দেয়।

৫. উদ্দীপক: X একটি দুই-কার্বনের অ্যালকাইন। X → (লোহিত-তপ্ত Fe নল) → Y → (গাঢ় HNO₃ + গাঢ় H₂SO₄, 50–60 °C) → Z। (গ) X থেকে Y তৈরির সমীকরণ লেখো এবং Y-এর গঠনে C-এর সংকরণ ব্যাখ্যা করো। (ঘ) Y ও সাইক্লোহেক্সিনকে Br₂/CCl₄ দিয়ে কীভাবে আলাদা করবে — বিশ্লেষণ করো।

X = ইথাইন (HC≡CH), Y = বেনজিন, Z = নাইট্রোবেনজিন।

(গ) $\ce{3HC#CH ->[\text{red-hot Fe tube}] C6H6}$ — তিনটি ইথাইন অণু জুড়ে একটি বলয়। বেনজিনে প্রতিটি C তিনটি σ বন্ধন করে (দুটি C, একটি H), নিঃসঙ্গ জোড় নেই → sp²; তিনটি sp² অরবিটাল একই তলে 120°-তে, তাই অণু সমতলীয় ষড়ভুজ। প্রতিটি C-এর অসংকরিত 2pz অরবিটালের 6টি ইলেকট্রন পাশাপাশি অধিক্রমণে বলয়ের ওপরে-নিচে বিস্তৃত π মেঘ তৈরি করে।

(ঘ) সাইক্লোহেক্সিনে একটি বিচ্ছিন্ন C=C আছে, তাই Br₂ সহজে যুক্ত হয়: $\ce{C6H10 + Br2 -> C6H10Br2}$ — কমলা রং সঙ্গে সঙ্গে মুছে যায়। বেনজিনের π ইলেকট্রন বিস্তৃত (≈ 151 kJ/mol অনুরণন শক্তি); প্রভাবক (FeBr₃) ছাড়া Br₂ যোগ বা প্রতিস্থাপন কোনোটিই হয় না, তাই রং থেকে যায়। অর্থাৎ যে বোতলে রং মোছে সেটি সাইক্লোহেক্সিন, যেটিতে থাকে সেটি বেনজিন (Y)।

৬. আলকাতরার লঘু তেল থেকে বিশুদ্ধ বেনজিন কীভাবে পাওয়া যায়? ফেনল আর পিরিডিন কোন ধাপে দূর হয়, আর থায়োফিন সরাতে পাতন যথেষ্ট নয় কেন?

গাঢ় H₂SO₄ দিয়ে ধোয়া: ক্ষারীয় পিরিডিন ও অ্যানিলিন দ্রবণীয় লবণ হয়ে অম্লস্তরে যায়, যেমন $\ce{2C6H5NH2 + H2SO4 -> (C6H5NH3)2SO4}$ ।
10% NaOH দিয়ে ধোয়া: অম্লীয় ফেনল সোডিয়াম ফিনক্সাইড হয়ে ক্ষারস্তরে যায়: $\ce{C6H5OH + NaOH -> C6H5ONa + H2O}$ ।
পানি দিয়ে ধুয়ে লেগে থাকা এসিড-ক্ষার সরানো হয়।
আংশিক পাতন, 80–82 °C অংশ সংগ্রহ: টলুইন (110.6 °C) ও জাইলিন পাত্রে থাকে।
বরফ-লবণ মিশ্রণে ঠান্ডা করা: বেনজিন 5.5 °C-এ কেলাস হয়ে জমে, তরল অপদ্রব্য ছেঁকে ফেলা হয়।
থায়োফিন: এর স্ফুটনাঙ্ক 84.0 °C, বেনজিনের (80.1 °C) মাত্র 4 °C বেশি — পাতনে আলাদা হয় না। ঠান্ডা গাঢ় H₂SO₄-এর সঙ্গে বারবার ঝাঁকালে থায়োফিন বেনজিনের চেয়ে অনেক দ্রুত সালফোনেটেড হয়ে অম্লস্তরে চলে যায়।
অনার্দ্র CaCl₂-এ শুকিয়ে 80.1 °C-এ পাতন করলে বিশুদ্ধ বেনজিন।