নবম শ্রেণি: ভৌত বিজ্ঞান অধ্যায় 4.5 মিশ্রণের পৃথকীকরণ – ব্যাখ্যামূলক প্রশ্ন মান 3

সংজ্ঞা: দুই বা ততোধিক মিশ্রণযোগ্য তরলের স্ফুটনাঙ্কের পার্থক্য খুব কম (25°C বা তার কম) হলে, আংশিক পাতন স্তম্ভ ব্যবহার করে যে পাতন প্রক্রিয়ায় উপাদানগুলিকে পৃথক করা হয়, তাকে আংশিক পাতন বলে।
পৃথকীকরণ: জল (স্ফুটনাঙ্ক 100°C) ও মিথানলের (স্ফুটনাঙ্ক 64.7°C) মিশ্রণকে গোলতল ফ্লাস্কে নিয়ে আংশিক পাতন স্তম্ভ ও লিবিগ শীতক যুক্ত করে উত্তপ্ত করা হয়। মিথানলের স্ফুটনাঙ্ক কম হওয়ায় তা আগে বাষ্পীভূত হয়ে শীতকের মধ্য দিয়ে গিয়ে গ্রাহক পাত্রে জমা হয়। জল ফ্লাস্কেই থেকে যায়।

কেরোসিন ও জল পরস্পর অমিশ্রণীয় তরল এবং এদের ঘনত্ব ভিন্ন।
1. মিশ্রণটিকে একটি বিয়োজী ফানেলে নিয়ে কিছুক্ষণ স্থিরভাবে রেখে দেওয়া হয়।
2. জলের ঘনত্ব বেশি হওয়ায় তা নিচে জমা হয় এবং কেরোসিন হালকা হওয়ায় উপরে স্তর তৈরি করে।
3. ফানেলের স্টপকক খুলে নিচের জলকে একটি পাত্রে বের করে নেওয়া হয়। জলের স্তর শেষ হওয়ামাত্র স্টপকক বন্ধ করে দেওয়া হয়। ফলে ফানেলে কেবল কেরোসিন তেল অবশিষ্ট থাকে।

সংজ্ঞা: তাপ প্রয়োগে কঠিন পদার্থের তরলে পরিণত না হয়ে সরাসরি বাষ্পে পরিণত হওয়া এবং ঠান্ডা করলে বাষ্প থেকে সরাসরি কঠিনে পরিণত হওয়ার ঘটনাকে ঊর্দ্ধপাতন বলে।
পৃথকীকরণ: বালি ও নিষাদলের মিশ্রণকে একটি পোর্সেলিনের বাটিতে নিয়ে তার ওপর একটি ফানেল উল্টে দিয়ে উত্তপ্ত করা হয়। নিষাদল উদ্বায়ী হওয়ায় তা বাষ্পীভূত হয়ে ফানেলের ঠান্ডা গায়ে কঠিন আকারে জমা হয়। বালি বাটিতেই পড়ে থাকে।

দুটি পদ্ধতিতে এটি করা যায়:
1. চুম্বক দ্বারা: মিশ্রণের মধ্যে একটি শক্তিশালী চুম্বক ঘোরালে লোহাচূর্ণ চুম্বক দ্বারা আকৃষ্ট হয়ে আলাদা হয়ে যাবে, সালফার পড়ে থাকবে।
2. দ্রাবক দ্বারা: মিশ্রণটিকে কার্বন ডাই-সালফাইড ($CS_2$) দ্রাবকে মেশালে সালফার দ্রবীভূত হয়, কিন্তু লোহা হয় না। এরপর দ্রবণটি ছেঁকে নিলে লোহা আলাদা হয়। ফিলট্রেটকে বাষ্পীভূত করলে সালফার পাওয়া যায়।

সংজ্ঞা: যে পদ্ধতিতে কোনো মিশ্রণের উপাদানগুলি স্থির দশা ও সচল দশার মধ্যে ভিন্ন ভিন্ন অনুপাতে বণ্টিত হয়ে পৃথক হয়ে যায়, তাকে ক্রোমাটোগ্রাফি বলে।
কালি পৃথকীকরণ: ফিল্টার পেপারের এক প্রান্তে কালির ফোঁটা দিয়ে শুকিয়ে সেটিকে অল্প জলে ডোবানো হয় (কালির দাগ জলের উপরে থাকবে)। কৈশিক ক্রিয়ায় জল উপরে ওঠার সময় কালির বিভিন্ন রঙের উপাদানগুলি তাদের দ্রাব্যতা ও অধিশোষণ ক্ষমতা অনুযায়ী কাগজের বিভিন্ন উচ্চতায় আলাদা হয়ে যায়।

সংজ্ঞা: কোনো কঠিন পদার্থের ঘন বা সম্পৃক্ত দ্রবণকে ধীরে ধীরে ঠান্ডা করে পদার্থটিকে নির্দিষ্ট জ্যামিতিক আকারের বিশুদ্ধ দানা বা কেলাসরূপে পৃথক করার পদ্ধতিকে কেলাসন বলে।
উৎকর্ষতা: বাষ্পীভবনে তাপ দিলে অনেক পদার্থ (যেমন চিনি) পুড়ে যেতে পারে বা বিয়োজিত হতে পারে। কিন্তু কেলাসনে তা হয় না। এছাড়া কেলাসন পদ্ধতিতে দ্রবণ থেকে অশুদ্ধি দূর করে অত্যন্ত বিশুদ্ধ পদার্থ পাওয়া সম্ভব, যা সাধারণ বাষ্পীভবনে সম্ভব নয়।

মূলনীতি: কোনো অসমসত্ত্ব মিশ্রণ বা কলয়ডীয় দ্রবণকে দ্রুত গতিতে ঘোরালে মিশ্রণের ভারী কণাগুলি কেন্দ্র থেকে দূরে (নিচের দিকে) এবং হালকা কণাগুলি কেন্দ্রের দিকে (ওপরের দিকে) জমা হয়।
প্রয়োগ: ডেইরি ফার্মে দুধ থেকে ফ্যাট বা ক্রিম আলাদা করতে এবং প্যাথলজি ল্যাবে রক্ত ও মূত্র পরীক্ষায় এই পদ্ধতি ব্যবহৃত হয়।

1. একটি বিকারে জল নিয়ে তাতে কয়েক ফোঁটা গাঢ় $H_2SO_4$ যোগ করা হয়।
2. জলটি ফুটিয়ে তাতে অবিশুদ্ধ তুঁতে যোগ করে নাড়তে হয় যতক্ষণ না সম্পৃক্ত দ্রবণ তৈরি হয়।
3. গরম দ্রবণটিকে ফিল্টার পেপার দিয়ে ছেঁকে অদ্রাব্য অশুদ্ধি দূর করা হয়।
4. পরিশ্রুত দ্রবণটিকে একটি চিনেমাটির বাটিতে নিয়ে ধীরে ধীরে ঠান্ডা করলে নীল রঙের বিশুদ্ধ তুঁতের কেলাস নিচে জমা হয়।

বায়ুকে প্রথমে উচ্চ চাপে সংনমিত এবং অতি নিম্ন উষ্ণতায় শীতল করে তরল বায়ুতে পরিণত করা হয়। এরপর এই তরল বায়ুকে আংশিক পাতন স্তম্ভে (Fractionating column) চালনা করে ধীরে ধীরে উষ্ণতা বাড়ানো হয়। বিভিন্ন গ্যাসের স্ফুটনাঙ্ক ভিন্ন হওয়ায় তারা ভিন্ন ভিন্ন উষ্ণতায় বাষ্পীভূত হয়ে আলাদা হয়ে যায়। যেমন, নাইট্রোজেনের স্ফুটনাঙ্ক (-196°C) কম হওয়ায় তা সবার আগে গ্যাস হয়ে বেরিয়ে আসে, পরে আর্গন (-186°C) এবং সবশেষে অক্সিজেন (-183°C) পৃথক হয়।

[Image of fractional distillation of petroleum]

পদ্ধতি: আংশিক পাতন (Fractional Distillation)।
নীতি: অশোধিত তেল হলো বিভিন্ন হাইড্রোকার্বনের মিশ্রণ, যাদের স্ফুটনাঙ্ক ভিন্ন ভিন্ন। এই তেলকে একটি বড় আংশিক পাতন স্তম্ভের (Fractionating tower) মধ্যে প্রায় 400°C উষ্ণতায় উত্তপ্ত করা হয়। বিভিন্ন স্ফুটনাঙ্ক বিশিষ্ট উপাদানগুলো (যেমন—পেট্রোল, কেরোসিন, ডিজেল) স্তম্ভের বিভিন্ন উচ্চতায় বা তাকে (Tray) ঘনীভূত হয়ে পৃথক হয়ে যায়। কম স্ফুটনাঙ্কের উপাদান সবার উপরে এবং বেশি স্ফুটনাঙ্কের উপাদান নিচে জমা হয়।

[Image of paper chromatography experiment]

পদ্ধতি: পেপার ক্রোমাটোগ্রাফি। ফুলের পাপড়ি চটকে রস বের করে ফিল্টার পেপারের এক প্রান্তে এক ফোঁটা লাগিয়ে শুকিয়ে নেওয়া হয়। তারপর কাগজটিকে উপযুক্ত দ্রাবকে (যেমন জল বা ইথানল) এমনভাবে ডোবানো হয় যাতে দাগটি জলের ঠিক ওপরে থাকে। কৈশিক ক্রিয়ায় জল ওপরে ওঠার সময় বিভিন্ন রঞ্জক তাদের দ্রাব্যতা ও অধিশোষণ ক্ষমতা অনুযায়ী আলাদা হয়ে যায়।
সুবিধা: খুব সামান্য পরিমাণ নমুনা (মাত্র এক ফোঁটা) থেকেই উপাদানগুলো পৃথক ও শনাক্ত করা যায়।

প্রথমে ফটকিরির একটি গরম সম্পৃক্ত দ্রবণ তৈরি করে ছেঁকে নেওয়া হয়। দ্রবণটি ঠান্ডা হলে ছোট ছোট কেলাস বা সিড কেলাস (Seed Crystal) তৈরি হয়। একটি সুতোর সাহায্যে একটি সিড কেলাসকে ঠান্ডা ও সম্পৃক্ত দ্রবণের মধ্যে ঝুলিয়ে রাখলে, ধীরে ধীরে দ্রবণের ফটকিরি ওই কেলাসের গায়ে জমা হতে থাকে এবং কেলাসটি ক্রমশ আকারে বড় হতে থাকে। একে ‘কেলাসের বৃদ্ধি’ (Crystal growth) বলে।

একটি পাতন ফ্লাস্কে জল ও অ্যাসিটোনের মিশ্রণ নিয়ে তাতে থার্মোমিটার ও লিবিগ শীতক যুক্ত করা হয়। ফ্লাস্কটিকে উত্তপ্ত করলে 56°C উষ্ণতায় অ্যাসিটোন ফুটতে শুরু করে এবং বাষ্পীভূত হয়। এই বাষ্প লিবিগ শীতকের মধ্য দিয়ে যাওয়ার সময় ঘনীভূত হয়ে তরল অ্যাসিটোন হিসেবে গ্রাহক পাত্রে জমা হয়। ফ্লাস্কের তাপমাত্রা 100°C না হওয়া পর্যন্ত জল ফ্লাস্কেই থেকে যায়। এভাবে সাধারণ পাতন পদ্ধতিতে এদের পৃথক করা হয়।

1. চুম্বক দ্বারা: মিশ্রণের ওপর চুম্বক ঘোরালে লোহার পিনগুলো আকৃষ্ট হয়ে আলাদা হয়ে যাবে।
2. ঊর্দ্ধপাতন দ্বারা: অবশিষ্ট মিশ্রণকে (বালি ও কর্পূর) উত্তপ্ত করলে কর্পূর উবে গিয়ে ওপরের ঠান্ডা তলে জমা হবে (ঊর্দ্ধপাতন)।
3. অবশেষ: পাত্রে কেবল বালি পড়ে থাকবে।

দুধ হলো ফ্যাট ও জলের একটি ইমালসন বা কলয়ডীয় মিশ্রণ। দুধকে সেন্ট্রিফিউজ যন্ত্রে নিয়ে খুব জোরে ঘোরানো হয় (অপকেন্দ্রন)। ফ্যাটের কণাগুলি দুধের অন্যান্য অংশের (যেমন জলীয় অংশ) তুলনায় হালকা। তীব্র ঘূর্ণনের ফলে অপকেন্দ্র বলের প্রভাবে ভারী জলীয় অংশ বাইরের দিকে বা নিচের দিকে সরে যায় এবং হালকা ফ্যাট বা ক্রিম কেন্দ্রের দিকে বা ওপরে ভেসে ওঠে, যা সহজেই সংগ্রহ করা হয়।

পদ্ধতি: পাতন (Distillation)। সমুদ্রের জলকে ফুটিয়ে বাষ্প করা হয় এবং সেই বাষ্পকে ঘনীভূত করে লবণমুক্ত বিশুদ্ধ পানীয় জল পাওয়া যায়।
ফিল্টার: না, সাধারণ ফিল্টার পেপার বা ছাঁকনি দিয়ে লবণ দূর করা সম্ভব নয়। কারণ লবণ জলে সম্পূর্ণরূপে দ্রবীভূত হয়ে প্রকৃত দ্রবণ তৈরি করে, যার কণাগুলো ফিল্টারের ছিদ্র দিয়ে বেরিয়ে যায়।

1. তরলের প্রকৃতি: বিয়োজী ফানেল ব্যবহার করা হয় দুটি অমিশ্রণীয় তরল (Immiscible liquids) পৃথক করতে (যেমন তেল ও জল)। আংশিক পাতন ব্যবহার করা হয় দুটি মিশ্রণযোগ্য তরল (Miscible liquids) পৃথক করতে (যেমন অ্যালকোহল ও জল)।
2. নীতি: বিয়োজী ফানেল কাজ করে ঘনত্বের পার্থক্যের ওপর। আংশিক পাতন কাজ করে স্ফুটনাঙ্কের পার্থক্যের ওপর।

আংশিক পাতন স্তম্ভের মধ্যে অনেক সময় কাচের পুঁতি বা গ্লাস বিড রাখা হয়। এগুলি বাষ্পের জন্য অনেক বেশি পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল (Surface area) প্রদান করে। ফলে বাষ্প বারবার ঘনীভূত ও বাষ্পীভূত হওয়ার সুযোগ পায়। এটি কম স্ফুটনাঙ্কের তরল এবং বেশি স্ফুটনাঙ্কের তরলকে আরও নিখুঁতভাবে আলাদা করতে সাহায্য করে।

1. দ্রবীভবন: মিশ্রণটিতে জল মেশানো হলো। লবণ জলে দ্রবীভূত হয়ে যাবে কিন্তু চক পাউডার অদ্রাব্য থাকবে।
2. পরিস্রাবণ: মিশ্রণটি ফিল্টার পেপার দিয়ে ছেঁকে নিলে চক পাউডার ফিল্টার পেপারে আটকে যাবে এবং লবণের দ্রবণ নিচে জমা হবে।
3. বাষ্পীভবন: পরিশ্রুত লবণের জলকে উত্তপ্ত করে জল বাষ্পীভূত করে দিলে পাত্রে লবণ পড়ে থাকবে।

মূল পার্থক্য হলো স্ফুটনাঙ্কের ব্যবধানে। যখন দুটি তরলের স্ফুটনাঙ্কের পার্থক্য ২৫°C-এর বেশি হয়, তখন সাধারণ পাতন ব্যবহার করা হয় (যেমন—জল ও অ্যাসিটোন)। কিন্তু পার্থক্য ২৫°C-এর কম হলে, নিখুঁতভাবে আলাদা করার জন্য আংশিক পাতন এবং ফ্র্যাকশনিং কলাম ব্যবহার করা হয় (যেমন—খনিজ তেলের শোধন)।

যখন দুটি তরল পরস্পর অমিশ্রণীয় (Immiscible) হয় এবং তাদের ঘনত্বের পার্থক্য থাকে, তখন বিয়োজী ফানেল ব্যবহার করা হয়। যেমন—জল ও তেলের মিশ্রণ। ভারী তরলটি (জল) নিচে জমা হয় এবং হালকা তরলটি (তেল) ওপরে ভাসে, যা স্টপকক খুলে সহজেই আলাদা করা যায়।

যে মিশ্রণে একটি উপাদান উদ্বায়ী (যা তাপ দিলে সরাসরি বাষ্প হয়) এবং অন্যটি অনুদ্বায়ী, সেই মিশ্রণ এই পদ্ধতিতে আলাদা করা যায়। যেমন—বালি ও কর্পূর, বা লবণ ও ন্যাপথালিনের মিশ্রণ।

ক্রোমাটোগ্রাফি এমন একটি পদ্ধতি যা খুব সামান্য পরিমাণ মিশ্রণ থেকে উপাদানগুলোকে পৃথক ও শনাক্ত করতে পারে। এটি কালির বিভিন্ন রঙের উপাদান (Dyes) আলাদা করতে এবং রক্ত থেকে ড্রাগ বা বিষাক্ত পদার্থ শনাক্ত করতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

সবচেয়ে সহজ উদাহরণ হলো দুধ থেকে মাখন বা ক্রিম তোলা। এছাড়া প্যাথলজি ল্যাবে রক্তকণিকা থেকে প্লাজমা আলাদা করতে এবং ওয়াশিং মেশিনে ভেজা কাপড় থেকে জল নিংড়াতে এই পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়।