TENTAMEN KEMISK MÄTTEKNIK (KD1190/1110),

Transkript

1 TENTAMEN KEMISK MÄTTEKNIK (KD1190/1110), OBS! Använd ett ark per uppgift. Skriv namn på varje ark. OBS! För varje uppgift anges maximalt antal poäng. För godkänt resultat fordras 40 poäng. En sjugradig betygsskala tillämpas enligt följande: Poäng Betyg A B C D E Fx 0 35 F Tänk på att vid frågor med flera svarsalternativ kan felaktiga uppräkningar medföra poängavdrag. Möjlighet till komplettering för att erhålla godkänt, betyg E, finns för den som ligger nära godkändgränsen. Med nära gränsen menas minst 36 poäng, betyg Fx. Kompletteringen sker muntligt efter överenskommelse med kursansvarig. Den som önskar komplettera skall kontakta kursansvarig inom en vecka efter det att vi på hemsidan och Bilda meddelat att tentorna är rättade. Hjälpmedel: Utöver penna och papper är endast kalkylator och det utdelade materialet Formler och tabeller statistiska metoder i Kemisk mätteknik tillåtna. Om du gått kursen ange kursnummer KD1110, om du gick kursen 2006 eller tidigare ange det gamla kursnumret 3B1770 på omslaget. Samma poäng gäller för godkänt och komplettering som ovan. LYCKA TILL!

2 Uppgift 3 Den kromatografiska upplösningen beror av selektivitet, retention och effektivitet. Hur ändras selektiviteten i a) GC? (1p) b) Jonbyteskromatografi? (1p) c) Normal phase LC? (1p) Värdet på retentionsfaktorn bör hållas inom intervallet ca 2-8 för ett kromatografiskt system. d) Förklara kortfattat orsakerna till detta. (2p) I vandeemter-ekvationen och vandeemter-kurvan beskrivs tre faktorer (A, B, C) som påverkar effektiviteten. e) Vilka är dessa tre faktorer? Namnge dem och beskriv dem kortfattat.(3p) Uppgift 4 I bla Kanada utvinner man fossila bränslen från sk oljesand, där oljan ligger blandad med sand/lera. Det är en mycket omdebatterad utvinning då stora mängder förorenat vatten blir kvar. Hur skulle föroreningarna i detta vatten analyseras mha kromatografi (ange teknik, stationärfas, mobilfas och detekor motivera dina val) om a) de var lättflyktiga? (2p) b) de var svårflyktiga? (2p) Föreslå ett (verkligt eller fiktivt) analytiskt problem som skulle kunna lösas kromatografiskt mha c) gelfiltrering/gelpermeation (SEC) (2p) d) elektroninfångningsdetektorn (ECD) (2p) Beskriv kortfattat problemet och motivera varför ovanstående tekniker skulle användas. Uppgift 5 a) Rita och beskriv en valfri jonselektiv elektrod. Vad behövs mer för utrustning vid mätningen? Vad mäter man och hur förhåller sig signalen till halten. (4p) b) Vad är TISAB och varför används det vid mätning med jonselektiv F- elektrod. (2p) c) Förklara varför man bör mäta vid ph 5 ungefär då man använder en fluoridelektrod. (2p) Uppgift 6 a) ICP, AAS, NIR och röntgenfluorescens (XFS) är fyra olika spektroskopimetoder. Välj och motivera ditt val av vilken metod som är lämpligast då det gäller: 1) Ta reda på och kvantifiera vilka metaller som finns i dräneringsvattnet från ett båtvarv. 2) Kontrollera att fukthalten är på en jämn nivå hos spannmålsprodukter. 3) Ta reda på och kvantifiera vilka metaller som finns i en civilingenjörsring. (3p) b) Beskriv AAS-instrumentet och speciellt de delar som skiljer sig från en vanlig spektrofotometer. (3p) c) Vilka kalibreringssamband gäller för AAS respektive ICP? Vilken metod har bredast linjäritetsområde? Vad beror det på? (2p)

3 Uppgift 7 a) Vid en spektrofotometrisk analys i det synliga området använder man ofta en komplexbildare till analyten. Vilka egenskaper bör denna komplexbildare ha? (2p) b) En viktig del i en spektrofotometer är den sk analysatorn. Varför behövs denna del? Vad består den av? (2p) c) Nämn två vanliga detektorer som används i spektrofotometrar. (2p) d) Vad menas med kromofor respektive absorptivitet? (2p) Uppgift 8 a) Kalibreringsfunktionen vid en spektrofotometrisk analys av Fe 3+ med tiocyanat (SCN - ) blev A = 4563*c Fe + 0,02, där halten av Fe anges i mol/l. Beräkna detektionsgränsen då absorbansen för tre mätningar av lösningar utan järn blev 0,005, 0,003, 0,002. (2p) b) Ett vattenprov som man vill analysera med metoden ovan innehåller järn samt även fosfater som man tror kan ge problem pga komplexbildning med järnet. Hur kan man undersöka detta? Hur kan man undvika problemet? Visa med lämplig figur. (3p) c) Cu 2+ kan också bilda komplex med tiocyanat. Rita en våglängsdkurva som förklarar hur man skulle kunna analysera båda metallerna i blandning. (3p) Uppgift 9 a) När man arbetar med GC använder man ofta intern standard. Varför? Hur gör man praktiskt när man arbetar med intern standard? Hur ser kalibrerkurvan ut? Vad krävs för egenskaper av den interna standarden? Förklara varför intern standard ibland används vid ICP men inte vid AAS. (4p) b) Vid injektion av provet i GC används ofta split-injektion. Förklara vad det är och varför man använder split. (2p) c) Vilken injektionsteknik använder man som regel i HPLC? Vad gör att repeterbarheten då denna teknik används blir högre än med tekniken för GC ovan. (2p) Uppgift 10 a) Tänk igenom de olika stegen i analysen av järn i ett prov med den spektrofotometriska metoden beskriven i uppgift 8a). Rita ett fiskbensdiagram som visar vilka olika felkällor man har vid analysen. (3p) b) Beskriv hur man bestämmer selektiviteten för en GC-metod, jonselektiv elektrod respektive en spektrofotometrisk metod. (3p) c) Beskriv kort två kontrollkort som kan användas vid processtyrning. (2p)

4 SVAR Uppgift 3 a) Byte av stationärfas (polär-opolär). b) Förändrad laddning på stationärfasen. c) Byte av komponenter i mobilfasen. d) Om k är för lågt är interaktionen för liten för att uppnå separation. Om k är för högt blir analystiden längre utan att R ökar särskilt mycket (R~k /(k +1)) e) A är eddy diffusion dvs att analyterna kan ta olika vägar i en packad kolonn, B är longitudinell diffusion dvs att analyterna kommer att diffundera i längdriktingen så att bandbreddning uppstår, C är motstånd mot masstransport i statfas och mobfas dvs förflyttningen av analyter i faserna och mellan faserna bör gå fort för att inte bandbreddning ska uppstå tex pga olika flödeshastigheter i kolonnen. Uppgift 4 a) GC, med opolär fas för separation av lättflyktiga ämnen map kokpunkt. He som bärgas för säker och effektiv separation. FID som detektor för kolväteinnehållande ämnen. b) LC, RP med opolär statfas (C18) och polär mobfas (metanol.vatten), för svårflyktiga huvudsakligen opolära ämnen. UV för detektion av föreningar med dubbelbindningar och RI för övriga. c) Individuella svar. Storleksseparation. d) Individuella svar. Tex halogeninnehållande ämnen. Uppgift 5 b) Bild på jonselektiva elektroder finns i kursmatarielet. Förutom indikatorelektroden behövs en referenselektrod med saltbrygga och en voltmeter. Potentialen över membranet mäts. Nernsts ekvation beskriver förhållandet mellan signal och log(aktivitet). E = E 0 +/- RT/nFln10*log(a). (a är jonens aktivitet, a = γ*c). c) TISAB är en buffert med hög jonstyrka (Total Ionic Strength Adjustment Buffer). Eftersom elektroden mäter aktivitet och denna påverkas av jonstyrkan måste jonstyrkan hållas konstant vid mätningarna. (γ i uttrycket ovan beror av jonstyrkan). d) Vid låga ph bildas HF, elektroden mäter bara fria F -. Vid höga ph interfererar OH-joner pga lika laddning och storlek som F-jonen. TISAB justerar även ph till lämpligt värde, ca 5. Uppgift 6 a) 1) ICP är bra vid analys av låga halter metalljoner i vatten. Man kan mäta flera ämnen samtidigt. Man behöver inte veta i förväg vilket ämne man söker vilket man behöver vid AAS. 2) NIR är utmärkt när det gäller fukthaltbestämningar. Vatten absorberar ljus i detta våglängdsområde. Proverna kan mätas direkt utan förbehandling. 3) Här vill man ha en metod som inte förstör provet. Då passar röntgenfluorescens bäst. b) För beskrivning av AAS-instrumentet se kursmaterialet. De delar som är speciella är hålkatodlampan och förstoftare.

5 c) A = abc respektive I = k*c. AAS har smalats linjäritetsområder eftersom vid höga absorbanser får man problem med ströljus. Endast en liten del av det infallande ljuset når detektorn. Uppgift 7 a) komplexbildaren ska binda selektivt till analyten, reagera snabbt och kvantitativt. b) Analysatorn behövs för att dela upp ljuset i olika våglängder och göra det möjligt att välja ut rätt våglängd som passar provet. Gitter eller prisma kan användas. c) fotomultiplikator eller dioder. d) Kromofor är den del i molekylen som absorberar ljus tex en dubbelbindning. Absorptivitet är en konstant som beror på vilket ämne (komplex) man analyserar och vid vilken våglängd. Ingår som є i Beers lag, A = є * b * c. Uppgift 8 a) Detektionsgränsen beräknas som DL = 3,3*s blank /lutning. s blank = 0,00153; DL = 3,3*0,00153/4563 = 1,1 * 10-6 M. b) Genom att göra en kalibrering med standardtillsatsmetoden kan man upptäcka om det finns problem med komplexbildning, då blir lutningen för linjen lägre än för kalibrerkurvan med jämförelsestandard. Skärningen med x-axeln då man ritar upp standardtillsatskurvan ger totalhalten. Bilder på de olika kurvorna finns i kursmaterialet. c) Våglängdskurva för de båda olika metallkomplexen ritas i samma diagram där A avsätts mot λ. En lämplig våglängd för vardera ämnet markeras. Blandningen analyseras vid båda dessa våglängder sedan man gjort en kalibrering för båda komplexen vid bägge våglängderna dvs man har bestämt fyra є-värden. Beräkningen sker genom ett ekvationssystem. A λ1 = є 1Fe *b*c Fe + є 1Cu *b*c Cu A λ2 = є 2Fe *b*c Fe + є 2Cu *b*c Cu Uppgift 9 a) Intern standard används i GC för att kompensera för svårigheter att injicera samma mängd prov varje gång. Till varje analyt-standard samt till det okända provet sätts samma mängd intern standard. Areakvoten beräknas ur kromatogrammet och avsätts mot halten analyt i standardlösningarna i en graf. (Figur i uttdelat marerial). Den interna standarden ska ha liknande egenskaper som analyterna tex kokpunkt och poläritet men måste separera tydligt från de undersökta ämnena. Intern standard används vid ICP för att kompensera för förluster vid upparbetning. IS tillsätts då tidigt i upparbetningen. Då man måste kunna mäta två olika ämnen vid samma tillfälle oberoende av varandra är inte AAS lämpligt då varje ämne kräver sin speciella lampa. b) Splitinjektion innebär att provet som injiceras splittas och bara en liten del går in till kolonnen från injektorn, största delen av provet förs ut. Detta gör man för att den smala kapillärkolonnen bara kan belastas med en mycket liten provvolym så att inte bandbredden blir för stor. c) I HPLC använder man en ventil/provloop. Provloopen fylls med en exakt volym prov som förs in till kolonnen vid varje tillfälle man öppnar ventilen. Detta ger en högre repeterbarhet än då man använder injektionsspruta.

6 Uppgift 10 a) Vid en spektrofotometrisk analys måste man först göra en kalibrering med kända halter. Invägning av järnstandard, spädning, uttagning av delmängd, spädning igen, mätning i spektrofotometern. Invägning eller uppmätning av prov, spädning och mätning. Dessutom finns en osäkerhet i själva kalibrerkurvan. Reaktionstid, ph och temperatur kan också påverka resultatet. Fiskbensdiagrammet kan se ut som nedan: b) När man testar en metods selektivitet måste man tillsätta möjliga interferenser. När det gäller GC kan man ur kromatogrammet beräkna selektiviteten som α = (t R2 t M )/ (t R1 t M ). För jonselektiv elektrod tillsätter man interferensen och undersöker hur olika tillsatsmängder påverkar potentialen. Vid spektrofotometrisk analys kan man också göra tillsatser och mäta absorbansen. Man kan på så sätt bestämma vid vilken halt av interferensen som påverkan av signalen sker. c) X-kort används för att kontrollera riktigheten, medelvärdet för varje omgångsmätningar avsätts i ett diagram där målvärde, varningsgränser och aktionsgränser ritats upp. R-kort används på motsvarande sätt för att kontrollera om någon förändring i spridningen sker. Ett mått på spridningen inom varje omgång (tex range) avsätts mot omgång i ett diagram med framtagna gränslinjer.