বিষয়ের ভূমিকা

আমাদের চারপাশে তাকালে আমরা অসংখ্য জিনিস দেখতে পাই, যা বিভিন্ন পদার্থ দিয়ে তৈরি। এই পদার্থগুলো তৈরি হয়েছে মৌল বা এলিমেন্টস দিয়ে। বিজ্ঞানীরা এখনও পর্যন্ত ১১৮টির বেশি মৌল আবিষ্কার করেছেন এবং এই মৌলগুলোকে তাদের ধর্মের ভিত্তিতে প্রধানত তিনটি ভাগে ভাগ করা হয়েছে: ধাতু (Metals), অধাতু (Non-metals) এবং ধাতুকল্প (Metalloids)। এই অধ্যায়ে আমরা মূলত ধাতু এবং অধাতু নিয়ে বিস্তারিতভাবে আলোচনা করব।

লোহা, সোনা, তামা, অ্যালুমিনিয়ামের মতো পদার্থ আমাদের দৈনন্দিন জীবনে অপরিহার্য। এগুলো সবই ধাতু। অন্যদিকে, আমাদের শ্বাস-প্রশ্বাসের জন্য প্রয়োজনীয় অক্সিজেন, পেন্সিলের সিস বা গ্রাফাইট (কার্বন), সালফার ইত্যাদি হলো অধাতু। ধাতু এবং অধাতু দেখতে কেমন? তাদের আচরণ কেমন? তারা একে অপরের সাথে বা অন্যান্য পদার্থের সাথে কীভাবে বিক্রিয়া করে? এই প্রশ্নগুলোর উত্তর জানা শুধুমাত্র পরীক্ষার জন্য নয়, আমাদের চারপাশের বিশ্বকে ভালোভাবে বোঝার জন্যও অত্যন্ত জরুরি। এই অধ্যায়ের মাধ্যমে আমরা ধাতু ও অধাতুর ভৌত ও রাসায়নিক ধর্ম, তাদের বিক্রিয়া, পৃথিবীতে তাদের উপস্থিতি এবং আকরিক থেকে তাদের নিষ্কাশন পদ্ধতি সম্পর্কে গভীর জ্ঞান অর্জন করব। চলুন, এই আকর্ষণীয় জগতে প্রবেশ করা যাক এবং মৌলদের এই দুটি প্রধান গোষ্ঠীর রহস্য উন্মোচন করি।

মূল ধারণাগুলির বিস্তারিত ব্যাখ্যা

ধাতু ও অধাতুর ভৌত ধর্ম (Physical Properties of Metals and Non-metals)

কোনো পদার্থকে বাইরে থেকে দেখে বা স্পর্শ করে আমরা যে বৈশিষ্ট্যগুলো বুঝতে পারি, সেগুলোকে ভৌত ধর্ম বলা হয়। ধাতু এবং অধাতুকে তাদের ভৌত ধর্মের ভিত্তিতে সহজেই আলাদা করা যায়।

ধাতুর সাধারণ ভৌত ধর্ম:

  • ধাতব দ্যুতি (Lustre): বিশুদ্ধ অবস্থায় বেশিরভাগ ধাতুর পৃষ্ঠতল চকচকে হয়। এই চকচকে ধর্মকে ধাতব দ্যুতি বলে। যেমন - সোনা, রুপা, প্ল্যাটিনাম। তবে বায়ুর সংস্পর্শে এলে অনেক সময় এদের উপর অক্সাইডের আস্তরণ পড়ে দ্যুতি কমে যায়।
  • কঠিনতা (Hardness): বেশিরভাগ ধাতু সাধারণত কঠিন হয়। যেমন - লোহা, তামা। তবে এদের কঠিনতা বিভিন্ন ধাতুর ক্ষেত্রে বিভিন্ন হয়। সোডিয়াম (Na), পটাশিয়াম (K) এর মতো কিছু ক্ষার ধাতু এতটাই নরম যে এদের ছুরি দিয়ে কাটা যায়।
  • অবস্থা (State): সাধারণ উষ্ণতায় পারদ (Mercury, Hg) ছাড়া সমস্ত ধাতু কঠিন অবস্থায় থাকে। পারদ হলো একমাত্র ধাতু যা ঘরের তাপমাত্রায় তরল।
  • নমনীয়তা বা ঘাতসহনশীলতা (Malleability): এই ধর্মের জন্য ধাতুকে পিটিয়ে পাতলা পাতে পরিণত করা যায়। সোনা এবং রুপা সবচেয়ে বেশি নমনীয় ধাতু। এক গ্রাম সোনা দিয়ে প্রায় ২ বর্গমিটার পাতলা পাত তৈরি করা সম্ভব।
  • প্রসারণশীলতা বা প্রসারণ যোগ্যতা (Ductility): ধাতুকে টেনে লম্বা এবং সরু তারে পরিণত করার ক্ষমতাকে প্রসারণশীলতা বলে। সোনা সবচেয়ে বেশি প্রসারণশীল ধাতু। এক গ্রাম সোনা থেকে প্রায় ২ কিলোমিটার লম্বা তার তৈরি করা যায়। একারণেই তামা বা অ্যালুমিনিয়ামের মতো ধাতু বৈদ্যুতিক তার তৈরিতে ব্যবহৃত হয়।
  • তাপ ও তড়িৎ পরিবাহিতা (Conduction of Heat and Electricity): ধাতুগুলি সাধারণত তাপ ও বিদ্যুতের সুপরিবাহী। রুপা হলো সর্বোত্তম পরিবাহী, তারপরেই তামা, সোনা এবং অ্যালুমিনিয়ামের স্থান। একারণেই রান্নার পাত্র অ্যালুমিনিয়াম বা তামা দিয়ে তৈরি হয় এবং বৈদ্যুতিক তারের উপর প্লাস্টিকের (PVC) মতো অপরিবাহী পদার্থের আস্তরণ দেওয়া থাকে।
  • ঝঙ্কার বা অনুনাদ (Sonority): কোনো কঠিন বস্তুতে আঘাত করলে যদি ধাতব শব্দ বা ঝঙ্কার উৎপন্ন হয়, তবে সেই ধর্মকে সোনোরাস বা ঝঙ্কার বলা হয়। একারণেই স্কুলের ঘণ্টা বা মন্দিরের ঘণ্টা ধাতু দিয়ে তৈরি করা হয়।
  • উচ্চ গলনাঙ্ক ও স্ফুটনাঙ্ক (High Melting and Boiling Points): পারদ, সোডিয়াম, পটাশিয়াম, গ্যালিয়াম এবং সিজিয়াম ছাড়া বেশিরভাগ ধাতুর গলনাঙ্ক ও স্ফুটনাঙ্ক খুব বেশি হয়। যেমন, লোহার গলনাঙ্ক ১৫৩৮°C।

অধাতুর সাধারণ ভৌত ধর্ম:

  • দ্যুতিহীনতা (Non-lustrous): অধাতুগুলির পৃষ্ঠতল সাধারণত অনুজ্জ্বল বা দ্যুতিহীন হয়। এর ব্যতিক্রম হলো আয়োডিন এবং গ্রাফাইট, যাদের পৃষ্ঠতল চকচকে।
  • নরম ও ভঙ্গুর (Soft and Brittle): বেশিরভাগ অধাতু নরম হয়। কঠিন অধাতুগুলি সাধারণত ভঙ্গুর প্রকৃতির হয়, অর্থাৎ আঘাত করলে গুঁড়ো হয়ে যায়। যেমন - সালফার, ফসফরাস। এর একটি প্রধান ব্যতিক্রম হলো হীরা (কার্বনের একটি রূপভেদ), যা পৃথিবীর সবচেয়ে কঠিন প্রাকৃতিক পদার্থ।
  • অবস্থা (State): সাধারণ উষ্ণতায় অধাতুগুলি কঠিন (যেমন - কার্বন, সালফার), তরল (যেমন - ব্রোমিন) অথবা গ্যাসীয় (যেমন - অক্সিজেন, হাইড্রোজেন, নাইট্রোজেন) অবস্থায় থাকতে পারে।
  • নমনীয়তা ও প্রসারণশীলতা (Non-malleable and Non-ductile): অধাতুগুলি নমনীয় বা প্রসারণশীল নয়। এদের পিটিয়ে পাত বা টেনে তার বানানো যায় না।
  • তাপ ও তড়িৎ কুপরিবাহিতা (Poor Conduction of Heat and Electricity): অধাতুগুলি সাধারণত তাপ ও বিদ্যুতের কুপরিবাহী হয়। এর একটি গুরুত্বপূর্ণ ব্যতিক্রম হলো গ্রাফাইট (কার্বনের রূপভেদ), যা বিদ্যুতের সুপরিবাহী এবং শুষ্ক কোষে (dry cell) তড়িৎদ্বার হিসেবে ব্যবহৃত হয়।
  • ঝঙ্কারহীন (Non-sonorous): অধাতুতে আঘাত করলে কোনো ধাতব শব্দ উৎপন্ন হয় না।
  • নিম্ন গলনাঙ্ক ও স্ফুটনাঙ্ক (Low Melting and Boiling Points): গ্রাফাইট ও হীরার মতো কিছু ব্যতিক্রম ছাড়া বেশিরভাগ অধাতুর গলনাঙ্ক ও স্ফুটনাঙ্ক তুলনামূলকভাবে কম হয়।

ধাতু ও অধাতুর রাসায়নিক ধর্ম (Chemical Properties of Metals and Non-metals)

রাসায়নিক ধর্ম বলতে বোঝায় একটি পদার্থ অন্য পদার্থের সাথে কীভাবে বিক্রিয়া করে। ধাতু এবং অধাতুর রাসায়নিক ধর্মের মধ্যে অনেক পার্থক্য দেখা যায়।

১. বায়ুর সাথে বিক্রিয়া (Reaction with Air/Oxygen)

ধাতুর বিক্রিয়া: প্রায় সমস্ত ধাতু অক্সিজেনের সাথে যুক্ত হয়ে সংশ্লিষ্ট ধাতব অক্সাইড তৈরি করে।

ধাতু + অক্সিজেন → ধাতব অক্সাইড

  • উদাহরণ: যখন তামার গুঁড়োকে বাতাসে গরম করা হয়, তখন এটি অক্সিজেনের সাথে যুক্ত হয়ে কালো রঙের কপার (II) অক্সাইড তৈরি করে। 2Cu + O₂ → 2CuO (কালো)
  • অ্যালুমিনিয়াম বায়ুর সংস্পর্শে এলে অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইডের (Al₂O₃) একটি পাতলা স্তর তৈরি করে, যা পরবর্তী জারণ থেকে ধাতুটিকে রক্ষা করে। 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃
  • অক্সাইডের প্রকৃতি: বেশিরভাগ ধাতব অক্সাইড ক্ষারকীয় (basic) প্রকৃতির হয়। এরা অ্যাসিডের সাথে বিক্রিয়া করে লবণ ও জল তৈরি করে। যেমন, MgO, Na₂O।
  • উভধর্মী অক্সাইড (Amphoteric Oxides): কিছু ধাতব অক্সাইড যেমন অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড (Al₂O₃) এবং জিঙ্ক অক্সাইড (ZnO) অ্যাসিড এবং ক্ষার উভয়ের সাথেই বিক্রিয়া করে লবণ ও জল উৎপন্ন করে। এদের উভধর্মী অক্সাইড বলে।
    • Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O (অ্যাসিডের সাথে বিক্রিয়া)
    • Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O (ক্ষারের সাথে বিক্রিয়া, সোডিয়াম অ্যালুমিনেট গঠন)
  • সক্রিয়তার পার্থক্য: সোডিয়াম (Na) এবং পটাশিয়াম (K) এর মতো ধাতু বায়ুতে এত দ্রুত বিক্রিয়া করে যে খোলা রাখলে আগুন ধরে যায়। তাই এদের কেরোসিনের মধ্যে ডুবিয়ে রাখা হয়। ম্যাগনেসিয়াম, অ্যালুমিনিয়াম, জিঙ্ক, লেড প্রভৃতি ধাতু বায়ুর সংস্পর্শে এলে তাদের উপর অক্সাইডের একটি পাতলা প্রতিরক্ষামূলক স্তর তৈরি হয়। লোহাকে তীব্রভাবে উত্তপ্ত করলে জ্বলে ওঠে, কিন্তু সাধারণ অবস্থায় বিক্রিয়া করে না। তামা জ্বলে না, কিন্তু উত্তপ্ত করলে কালো অক্সাইডের আস্তরণ পড়ে। সোনা এবং রুপা উচ্চ তাপমাত্রাতেও অক্সিজেনের সাথে বিক্রিয়া করে না।

অধাতুর বিক্রিয়া: অধাতুগুলি অক্সিজেনের সাথে বিক্রিয়া করে অধাতব অক্সাইড তৈরি করে।

অধাতু + অক্সিজেন → অধাতব অক্সাইড

  • উদাহরণ: কার্বনকে বাতাসে পোড়ালে কার্বন ডাইঅক্সাইড উৎপন্ন হয়। C + O₂ → CO₂
  • সালফারকে পোড়ালে সালফার ডাইঅক্সাইড উৎপন্ন হয়। S + O₂ → SO₂
  • অক্সাইডের প্রকৃতি: বেশিরভাগ অধাতব অক্সাইড আম্লিক (acidic) প্রকৃতির হয়। এরা জলে দ্রবীভূত হয়ে অ্যাসিড তৈরি করে। যেমন, CO₂ জলে দ্রবীভূত হয়ে কার্বনিক অ্যাসিড (H₂CO₃) এবং SO₂ জলে দ্রবীভূত হয়ে সালফিউরাস অ্যাসিড (H₂SO₃) তৈরি করে।

২. জলের সাথে বিক্রিয়া (Reaction with Water)

ধাতুগুলি জলের সাথে বিক্রিয়া করে ধাতব অক্সাইড বা হাইড্রোক্সাইড এবং হাইড্রোজেন গ্যাস উৎপন্ন করে। তবে সব ধাতু একইভাবে বিক্রিয়া করে না।

  • ঠান্ডা জলের সাথে বিক্রিয়া: পটাশিয়াম (K) এবং সোডিয়াম (Na) ঠান্ডা জলের সাথে তীব্রভাবে বিক্রিয়া করে এবং উৎপন্ন হাইড্রোজেন গ্যাসে সঙ্গে সঙ্গে আগুন ধরে যায়। 2K(s) + 2H₂O(l) → 2KOH(aq) + H₂(g) + তাপশক্তি। ক্যালসিয়াম (Ca) জলের সাথে কিছুটা ধীর গতিতে বিক্রিয়া করে এবং উৎপন্ন হাইড্রোজেন গ্যাসের বুদবুদ ক্যালসিয়ামের গায়ে লেগে থাকায় এটি ভাসতে শুরু করে। Ca(s) + 2H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)
  • গরম জলের সাথে বিক্রিয়া: ম্যাগনেসিয়াম (Mg) ঠান্ডা জলের সাথে বিক্রিয়া করে না, কিন্তু গরম জলের সাথে বিক্রিয়া করে ম্যাগনেসিয়াম হাইড্রোক্সাইড ও হাইড্রোজেন গ্যাস তৈরি করে। Mg(s) + 2H₂O(l) → Mg(OH)₂(aq) + H₂(g)
  • স্টিমের সাথে বিক্রিয়া: অ্যালুমিনিয়াম (Al), লোহা (Fe) এবং জিঙ্ক (Zn) ঠান্ডা বা গরম জলের সাথে বিক্রিয়া করে না, কিন্তু স্টিমের সাথে বিক্রিয়া করে ধাতব অক্সাইড ও হাইড্রোজেন গ্যাস উৎপন্ন করে। 3Fe(s) + 4H₂O(g) → Fe₃O₄(s) + 4H₂(g)
  • কোনো বিক্রিয়া নেই: লেড, তামা, রুপা এবং সোনা জলের সাথে কোনো অবস্থাতেই বিক্রিয়া করে না।
  • অধাতুগুলি সাধারণত জলের সাথে বিক্রিয়া করে না।

৩. অ্যাসিডের সাথে বিক্রিয়া (Reaction with Dilute Acids)

বেশিরভাগ ধাতু লঘু অ্যাসিডের সাথে বিক্রিয়া করে লবণ এবং হাইড্রোজেন গ্যাস উৎপন্ন করে।

ধাতু + লঘু অ্যাসিড → লবণ + হাইড্রোজেন গ্যাস

  • উদাহরণ: ম্যাগনেসিয়াম হাইড্রোক্লোরিক অ্যাসিডের সাথে বিক্রিয়া করে ম্যাগনেসিয়াম ক্লোরাইড ও হাইড্রোজেন গ্যাস উৎপন্ন করে। Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)
  • বিক্রিয়ার তীব্রতা ধাতুর সক্রিয়তার উপর নির্ভর করে। Mg > Al > Zn > Fe ক্রমে বিক্রিয়ার হার কমতে থাকে।
  • তামা, রুপা, সোনা প্রভৃতি ধাতু যারা সক্রিয়তা শ্রেণিতে হাইড্রোজেনের নিচে অবস্থিত, তারা লঘু অ্যাসিড থেকে হাইড্রোজেনকে প্রতিস্থাপিত করতে পারে না, তাই কোনো বিক্রিয়া হয় না।
  • নাইট্রিক অ্যাসিডের সাথে বিশেষ বিক্রিয়া: নাইট্রিক অ্যাসিড (HNO₃) একটি শক্তিশালী জারক পদার্থ। তাই যখন এটি ধাতুর সাথে বিক্রিয়া করে, তখন উৎপন্ন হাইড্রোজেন গ্যাসকে জারিত করে জলে পরিণত করে এবং নিজে বিজারিত হয়ে নাইট্রোজেনের বিভিন্ন অক্সাইড (N₂O, NO, NO₂) তৈরি করে। তবে খুব লঘু HNO₃-এর সাথে ম্যাগনেসিয়াম (Mg) এবং ম্যাঙ্গানিজ (Mn) বিক্রিয়া করে H₂ গ্যাস উৎপন্ন করে।

সক্রিয়তা শ্রেণি (The Reactivity Series)

সক্রিয়তা শ্রেণি হলো এমন একটি তালিকা যেখানে ধাতুগুলিকে তাদের বিক্রিয়ার সক্রিয়তা অনুসারে ওপর থেকে নিচে ক্রমহ্রাসমান வரிசைতে সাজানো হয়। এই তালিকার সবচেয়ে ওপরে থাকা ধাতু সবচেয়ে বেশি সক্রিয় এবং সবচেয়ে নিচে থাকা ধাতু সবচেয়ে কম সক্রিয়।

  • K (Potassium) - সবচেয়ে সক্রিয়
  • Na (Sodium)
  • Ca (Calcium)
  • Mg (Magnesium)
  • Al (Aluminium)
  • Zn (Zinc)
  • Fe (Iron)
  • Pb (Lead)
  • [H] (Hydrogen) - তুলনার জন্য
  • Cu (Copper)
  • Hg (Mercury)
  • Ag (Silver)
  • Au (Gold) - সবচেয়ে কম সক্রিয়

এই শ্রেণি ব্যবহার করে আমরা সহজেই প্রতিস্থাপন বিক্রিয়া সম্পর্কে ভবিষ্যদ্বাণী করতে পারি। একটি বেশি সক্রিয় ধাতু কম সক্রিয় ধাতুকে তার লবণ দ্রবণ থেকে প্রতিস্থাপন করতে পারে।

উদাহরণ: লোহা (Fe) কপার (Cu) এর চেয়ে বেশি সক্রিয়। তাই লোহার পেরেককে কপার সালফেট (CuSO₄) দ্রবণে ডোবালে, লোহা কপারকে প্রতিস্থাপন করে আয়রন সালফেট (FeSO₄) তৈরি করে এবং কপার অধঃক্ষিপ্ত হয়। Fe(s) + CuSO₄(aq) → FeSO₄(aq) + Cu(s)। এই বিক্রিয়ায় দ্রবণের নীল রঙ ধীরে ধীরে হালকা সবুজ হয়ে যায়।

ধাতু ও অধাতুর মধ্যে বিক্রিয়া: আয়নীয় যৌগের গঠন

ধাতু এবং অধাতু যখন পরস্পরের সাথে বিক্রিয়া করে, তখন তারা আয়নীয় যৌগ (Ionic Compound) গঠন করে।

  • ইলেকট্রন বর্জন ও গ্রহণ: ধাতুগুলির সর্ববহিঃস্থ কক্ষে ১, ২ বা ৩টি ইলেকট্রন থাকে। তারা এই ইলেকট্রনগুলি বর্জন করে সুস্থিত ইলেকট্রন বিন্যাস লাভ করে এবং ধনাত্মক আয়নে (cation) পরিণত হয়। অধাতুগুলির সর্ববহিঃস্থ কক্ষে সাধারণত ৪ থেকে ৭টি ইলেকট্রন থাকে। তারা ইলেকট্রন গ্রহণ করে সুস্থিত অষ্টক পূর্ণ করে এবং ঋণাত্মক আয়নে (anion) পরিণত হয়।
  • আয়নীয় বন্ধন: এই বিপরীত আধানযুক্ত ক্যাটায়ন এবং অ্যানায়ন স্থির তড়িৎ আকর্ষণ বল দ্বারা পরস্পরের সাথে যুক্ত হয়ে যে বন্ধন গঠন করে, তাকে আয়নীয় বন্ধন বা তড়িৎযোজী বন্ধন বলে।
  • উদাহরণ - সোডিয়াম ক্লোরাইড (NaCl) গঠন:
    • সোডিয়াম (Na) এর ইলেকট্রন বিন্যাস ২,৮,১। এটি একটি ইলেকট্রন বর্জন করে Na⁺ আয়নে (বিন্যাস ২,৮) পরিণত হয়। Na → Na⁺ + e⁻
    • ক্লোরিন (Cl) এর ইলেকট্রন বিন্যাস ২,৮,৭। এটি একটি ইলেকট্রন গ্রহণ করে Cl⁻ আয়নে (বিন্যাস ২,৮,৮) পরিণত হয়। Cl + e⁻ → Cl⁻
    • Na⁺ এবং Cl⁻ আয়ন একত্রিত হয়ে সোডিয়াম ক্লোরাইড (NaCl) গঠন করে।

আয়নীয় যৌগের ধর্ম (Properties of Ionic Compounds):

  • ভৌত প্রকৃতি: এরা কঠিন এবং কিছুটা ভঙ্গুর হয়। কারণ শক্তিশালী আকর্ষণ বলের কারণে আয়নগুলি একটি নির্দিষ্ট স্ফটিক কাঠামোতে সজ্জিত থাকে। চাপ প্রয়োগ করলে এই কাঠামো ভেঙে যায়।
  • গলনাঙ্ক ও স্ফুটনাঙ্ক: ক্যাটায়ন ও অ্যানায়নের মধ্যে তীব্র আকর্ষণ বল ভাঙতে প্রচুর শক্তির প্রয়োজন হয়, তাই এদের গলনাঙ্ক ও স্ফুটনাঙ্ক খুব বেশি হয়।
  • দ্রাব্যতা: এরা সাধারণত জলে দ্রবণীয় কিন্তু কেরোসিন, পেট্রোলের মতো জৈব দ্রাবকে অদ্রবণীয়।
  • তড়িৎ পরিবাহিতা: কঠিন অবস্থায় আয়নগুলি নির্দিষ্ট স্থানে আবদ্ধ থাকায় তড়িৎ পরিবহন করে না। কিন্তু গলিত অবস্থায় বা জলীয় দ্রবণে আয়নগুলি চলাচল করতে পারে, তাই এরা তড়িৎ পরিবহন করে।

ধাতুবিদ্যা: আকরিক থেকে ধাতু নিষ্কাশন (Metallurgy)

ভূত্বকে ধাতুগুলি মুক্ত অবস্থায় বা যৌগ হিসেবে পাওয়া যায়। যে প্রাকৃতিক পদার্থ থেকে ধাতু নিষ্কাশন করা হয় তাকে খনিজ (Mineral) বলে। আর যে খনিজ থেকে লাভজনকভাবে এবং সহজে ধাতু নিষ্কাশন করা যায়, তাকে আকরিক (Ore) বলে। যেমন, অ্যালুমিনিয়ামের আকরিক হলো বক্সাইট (Al₂O₃·2H₂O)। আকরিকের সাথে থাকা মাটি, বালি প্রভৃতি অশুদ্ধিকে খনিজমল বা গ্যাং (Gangue) বলে। আকরিক থেকে বিশুদ্ধ ধাতু পাওয়ার সম্পূর্ণ প্রক্রিয়াকে ধাতুবিদ্যা বলা হয়।

ধাতুবিদ্যার প্রধান ধাপগুলি হলো:

  1. আকরিকের গাঢ়ীকরণ (Enrichment of Ores): খনিজমল দূর করে আকরিকের ঘনত্ব বৃদ্ধি করা।
  2. ধাতু নিষ্কাশন (Extraction of Metal): গাঢ়ীকৃত আকরিককে ধাতুতে রূপান্তরিত করা। এটি ধাতুর সক্রিয়তার উপর নির্ভর করে।
  3. ধাতু পরিশোধন (Refining of Metal): নিষ্কাশিত ধাতু থেকে অশুদ্ধি দূর করে বিশুদ্ধ ধাতু পাওয়া।

ধাতু নিষ্কাশনের পদ্ধতি:

  • কম সক্রিয় ধাতু (Ag, Au, Hg): এরা খুব কম সক্রিয় হওয়ায় প্রায়শই মুক্ত অবস্থায় পাওয়া যায় বা এদের অক্সাইড বা সালফাইড আকরিককে শুধুমাত্র উত্তপ্ত করলেই ধাতু পাওয়া যায়। যেমন, সিনাবার (HgS) কে উত্তপ্ত করলে প্রথমে HgO ও পরে Hg পাওয়া যায়।
  • মাঝারি সক্রিয় ধাতু (Zn, Fe, Pb, Cu): এরা সাধারণত সালফাইড বা কার্বনেট আকরিক হিসেবে থাকে।
    • তাপজারণ (Roasting): সালফাইড আকরিককে বায়ুর উপস্থিতিতে গলনাঙ্কের চেয়ে কম উষ্ণতায় উত্তপ্ত করে অক্সাইডে পরিণত করা হয়। 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂
    • ভস্মীকরণ (Calcination): কার্বনেট আকরিককে বায়ুর অনুপস্থিতিতে উত্তপ্ত করে অক্সাইডে পরিণত করা হয়। ZnCO₃ → ZnO + CO₂
    • এরপর অক্সাইডকে কার্বন (কোক) দ্বারা বিজারিত করে ধাতু নিষ্কাশন করা হয়। ZnO + C → Zn + CO। কখনও কখনও থার্মিট বিক্রিয়ার মতো প্রতিস্থাপন বিক্রিয়াও ব্যবহার করা হয়, যেখানে আয়রন অক্সাইডকে অ্যালুমিনিয়াম চূর্ণ দিয়ে বিজারিত করা হয়।
  • অধিক সক্রিয় ধাতু (K, Na, Ca, Mg, Al): এরা অত্যন্ত সক্রিয় হওয়ায় এদের কার্বন বিজারণ সম্ভব নয়। এদের গলিত ক্লোরাইড বা অক্সাইডের তড়িৎ বিশ্লেষণ (Electrolysis) করে ধাতু নিষ্কাশন করা হয়। তড়িৎ বিশ্লেষণে ক্যাটায়নগুলি ক্যাথোডে (ঋণাত্মক তড়িৎদ্বার) গিয়ে ইলেকট্রন গ্রহণ করে ধাতুতে পরিণত হয় এবং অ্যানায়নগুলি অ্যানোডে (ধনাত্মক তড়িৎদ্বার) গিয়ে ইলেকট্রন বর্জন করে। যেমন, গলিত NaCl এর তড়িৎ বিশ্লেষণে ক্যাথোডে সোডিয়াম ধাতু ও অ্যানোডে ক্লোরিন গ্যাস উৎপন্ন হয়।

সংকর ধাতু এবং ক্ষয়রোধ (Alloys and Corrosion Prevention)

সংকর ধাতু (Alloy): দুই বা ততোধিক ধাতু অথবা একটি ধাতু ও একটি অধাতুর সমসত্ত্ব মিশ্রণকে সংকর ধাতু বলে। বিশুদ্ধ ধাতুর চেয়ে সংকর ধাতুর ধর্ম উন্নততর হয়, যেমন - কঠিনতা, ক্ষয়রোধ ক্ষমতা ইত্যাদি।

  • ইস্পাত (Steel): লোহা (Fe) ও কার্বন (C) এর সংকর ধাতু। এটি লোহার চেয়ে অনেক বেশি শক্ত।
  • স্টেইনলেস স্টিল (Stainless Steel): লোহা, নিকেল (Ni) ও ক্রোমিয়াম (Cr) এর সংকর। এতে মরিচা পড়ে না।
  • পিতল (Brass): তামা (Cu) ও দস্তা (Zn) এর সংকর ধাতু।
  • ব্রোঞ্জ (Bronze): তামা (Cu) ও টিন (Sn) এর সংকর ধাতু।
  • অ্যামালগাম (Amalgam): যদি সংকর ধাতুর একটি উপাদান পারদ (Hg) হয়, তবে তাকে অ্যামালগাম বলে।

ধাতুর ক্ষয় (Corrosion): বায়ু, জল বা অন্যান্য রাসায়নিক পদার্থের সংস্পর্শে এসে ধাতুর পৃষ্ঠতল ধীরে ধীরে ক্ষয়প্রাপ্ত হওয়ার ঘটনাকে ধাতুর ক্ষয় বলে।

  • মরিচা (Rusting): লোহার ক্ষয়কে মরিচা পড়া বলে। বায়ু (অক্সিজেন) এবং জল বা জলীয় বাষ্পের উপস্থিতিতে লোহার উপর বাদামী রঙের হাইড্রেটেড ফেরিক অক্সাইড (Fe₂O₃·xH₂O) এর আস্তরণ পড়ে, যা-ই মরিচা।
  • ক্ষয়রোধের উপায়:
    1. রঙ বা তেল লাগিয়ে: ধাতুর পৃষ্ঠে রঙ, তেল বা গ্রিজের আস্তরণ দিলে তা বায়ু ও জলের সংস্পর্শে আসতে পারে না।
    2. গ্যালভানাইজেশন (Galvanization): লোহা বা ইস্পাতের উপর জিঙ্কের পাতলা প্রলেপ দেওয়াকে গ্যালভানাইজেশন বলে। জিঙ্ক লোহার চেয়ে বেশি সক্রিয় হওয়ায় এটি আগে ক্ষয়প্রাপ্ত হয়ে লোহাকে রক্ষা করে।
    3. তড়িৎলেপন (Electroplating): কম সক্রিয় ধাতুর (যেমন ক্রোমিয়াম, টিন) প্রলেপ দেওয়া।
    4. অ্যানোডাইজিং (Anodizing): অ্যালুমিনিয়ামের উপর অক্সাইডের পুরু প্রতিরক্ষামূলক স্তর তৈরি করার প্রক্রিয়া।
    5. সংকর ধাতু তৈরি করে: যেমন স্টেইনলেস স্টিল তৈরি করে মরিচা প্রতিরোধ করা হয়।

প্রশ্নোত্তর (Q&A)

প্রশ্ন ১: কেন সোডিয়ামকে কেরোসিনের মধ্যে ডুবিয়ে রাখা হয়?

উত্তর: সোডিয়াম একটি অত্যন্ত সক্রিয় ধাতু। এটি সাধারণ তাপমাত্রায় বায়ুর অক্সিজেন এবং জলীয় বাষ্পের সাথে খুব দ্রুত এবং তীব্রভাবে বিক্রিয়া করে। খোলা বাতাসে রাখলে এতে আগুন ধরে যেতে পারে। কেরোসিন একটি নিষ্ক্রিয় তরল যা বায়ুর অক্সিজেন ও জলীয় বাষ্পকে সোডিয়ামের সংস্পর্শে আসতে বাধা দেয়। তাই দুর্ঘটনা এড়াতে এবং ধাতব সোডিয়ামকে সুরক্ষিত রাখতে একে কেরোসিনের মধ্যে ডুবিয়ে রাখা হয়।

প্রশ্ন ২: উভধর্মী অক্সাইড কী? দুটি উদাহরণ দাও।

উত্তর: যে সমস্ত ধাতব অক্সাইড অ্যাসিড এবং ক্ষার উভয়ের সাথেই বিক্রিয়া করে লবণ ও জল উৎপন্ন করে, তাদের উভধর্মী অক্সাইড (Amphoteric Oxide) বলা হয়। অর্থাৎ, এরা কখনও আম্লিক আবার কখনও ক্ষারকীয় ধর্ম প্রদর্শন করে। দুটি উদাহরণ হলো: জিঙ্ক অক্সাইড (ZnO) এবং অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড (Al₂O₃)।

প্রশ্ন ৩: আয়নীয় যৌগের গলনাঙ্ক ও স্ফুটনাঙ্ক উচ্চ হয় কেন?

উত্তর: আয়নীয় যৌগগুলি ধনাত্মক (ক্যাটায়ন) এবং ঋণাত্মক (অ্যানায়ন) আয়ন দ্বারা গঠিত হয়। এই বিপরীত আধানযুক্ত আয়নগুলি একটি শক্তিশালী স্থির তড়িৎ আকর্ষণ বল বা আন্তঃআয়নীয় আকর্ষণ বল (Inter-ionic force of attraction) দ্বারা পরস্পরের সাথে দৃঢ়ভাবে আবদ্ধ থাকে। এই শক্তিশালী আকর্ষণ বলকে ভাঙতে প্রচুর পরিমাণে তাপশক্তির প্রয়োজন হয়। একারণেই আয়নীয় যৌগগুলির গলনাঙ্ক ও স্ফুটনাঙ্ক খুব উচ্চ হয়।

প্রশ্ন ৪: সংকর ধাতু বলতে কী বোঝো? এটি কেন তৈরি করা হয়?

উত্তর: দুই বা ততোধিক ধাতু অথবা একটি ধাতু ও একটি অধাতুর সমসত্ত্ব কঠিন মিশ্রণকে সংকর ধাতু (Alloy) বলা হয়। যেমন, পিতল (তামা ও দস্তার মিশ্রণ) একটি সংকর ধাতু।
বিশুদ্ধ ধাতুর কিছু সীমাবদ্ধতা দূর করে তার ধর্ম উন্নত করার জন্য সংকর ধাতু তৈরি করা হয়। প্রধান কারণগুলি হলো:

  • কঠিনতা বৃদ্ধি করার জন্য (যেমন - বিশুদ্ধ সোনার চেয়ে ২২ ক্যারেট সোনা বেশি শক্ত)।
  • ক্ষয় বা মরিচা রোধ করার জন্য (যেমন - লোহা থেকে স্টেইনলেস স্টিল তৈরি)।
  • গলনাঙ্ক পরিবর্তন করার জন্য (যেমন - ফিউজ তারের জন্য কম গলনাঙ্কের সংকর ধাতু সোল্ডার ব্যবহার করা হয়)।
  • রঙ এবং উজ্জ্বলতা উন্নত করার জন্য।

সারসংক্ষেপ

এই অধ্যায়টি ভালোভাবে বোঝার জন্য নিম্নলিখিত বিষয়গুলি মনে রাখা অত্যন্ত জরুরি:

  • মৌলগুলিকে প্রধানত ধাতু এবং অধাতু এই দুই ভাগে ভাগ করা হয়।
  • ধাতুগুলি সাধারণত কঠিন, উজ্জ্বল, নমনীয়, প্রসারণশীল এবং তাপ ও বিদ্যুতের সুপরিবাহী হয়। অধাতুগুলির ধর্ম সাধারণত এর বিপরীত।
  • ধাতুগুলি অক্সিজেনের সাথে বিক্রিয়া করে ক্ষারকীয় বা উভধর্মী অক্সাইড গঠন করে, অন্যদিকে অধাতুগুলি আম্লিক অক্সাইড গঠন করে।
  • সক্রিয়তা শ্রেণি হলো ধাতুর বিক্রিয়ার প্রবণতার ক্রম, যা প্রতিস্থাপন বিক্রিয়া সম্পর্কে পূর্বাভাস দিতে সাহায্য করে।
  • ধাতু ইলেকট্রন বর্জন করে ক্যাটায়ন এবং অধাতু ইলেকট্রন গ্রহণ করে অ্যানায়ন গঠন করে। এই দুই আয়নের মধ্যে স্থির তড়িৎ আকর্ষণের ফলে আয়নীয় যৌগ তৈরি হয়।
  • আকরিক থেকে বিশুদ্ধ ধাতু নিষ্কাশনের সম্পূর্ণ বৈজ্ঞানিক ও প্রযুক্তিগত প্রক্রিয়াকে ধাতুবিদ্যা বলা হয়।
  • ধাতুর ক্ষয়, বিশেষত লোহার মরিচা পড়া, একটি গুরুতর সমস্যা। রঙ করে, গ্যালভানাইজেশন করে বা সংকর ধাতু তৈরি করে এর প্রতিরোধ করা যায়।