Technology, Innovation & Society Delft VOORBLAD SCHRIFTELIJKE TOETSEN OPLEIDING TOETSCODE GROEP : TECHNISCHE NATUURKUNDE : SPECT-T1 : NH4TN, NH4FO TOETSDATUM : 31 OKTOBER 2013 TIJD : 13.00 14.30 uur AANTAL PAGINA S (incl. voorblad) : 6 DEZE TOETS BESTAAT UIT : 16 open vragen GEBRUIK HULPMIDDELEN : JA TOEGESTANE HULPMIDDELEN TOETSOPGAVE INLEVEREN : Bij deze toets mag gebruik gemaakt worden van een (GR) zakrekenmachine, en het Binas-tabellenboek (aantekeningen hierin zijn niet toegestaan) : JA OVERIGE OPMERKINGEN : - Bij alle antwoorden moet aangegeven worden hoe deze zijn verkregen. - Alle numerieke antwoorden dienen voorzien te zijn van de bijbehorende SI-eenheden en mogen slechts significante cijfers bevatten. OPSTELLER VAN DEZE TOETS TWEEDE LEZER VAN DEZE TOETS : M.C.Vloemans : A.J.Lock BELANGRIJKSTE PUNTEN UIT DE TOETSREGELING VAN DE ONDERWIJS- EN EXAMENREGELING: je dient je via Osiris ingeschreven te hebben voor deze toets schrijf je naam, je studentnummer, de toetscode en de naam van de docent meteen op het tentamenpapier leg je identiteitsbewijs op de hoek van de tafel zet alle elektronische communicatiemiddelen (mobiele telefoon, PDA, etc.) uit en stop deze in je tas; deze mogen niet als calculator of klok worden gebruikt je mag het lokaal het eerste halfuur en de laatste 15 minuten van een toets niet verlaten volg de instructies op het toetsvoorblad steek je hand op als je een vraag hebt versie 1 september 2013-2014
Toets spectrometrie 31 oktober 2013 blz 1 ABSORPTIESPECTRUM VAN β-caroteen Met behulp van een dubbelstraal uv/vis-spectrometer (zie figuur 1) is het absorptiespectrum van een oplossing van β-caroteen in water bepaald. Zie figuur 2. 1. (0,5 punt) Leg uit m.b.v. het absorptiespectrum bij welke golflengte er het beste gemeten kan worden. Geef een toelichting. 2. (0,5 punt) Welke kleur wordt door β-caroteen geabsorbeerd? En welke kleur heeft de oplossing? Licht dit toe. Stel dat je in een oplossing in water de concentratie van een onbekende hoeveelheid -caroteen wilt bepalen. Hierbij gebruik je een dubbelstraal uv/vis-spectrometer (zoals in figuur 1 is weergegeven). Je beschikt ook over één bekende oplossing van -caroteen in water en dus één onbekende oplossing. 3. (0,5 punt) Leg uit, wat je precies gebruikt in de referentiebundel. Men verricht een aantal metingen met -caroteen (molaire massa is 537 gram) in water. De metingen worden verricht bij een golflengte van 450 nm. Met behulp van de kalibratiecurve heeft men de molaire extinctiecoëfficiënt bepaald. Bij 450 nm is de gemeten molaire extinctiecoëfficiënt gelijk aan 15,2 10 3 l mol -1 cm -1. De optische weglengte van het cuvet bedraagt 0,50 cm. Om te controleren of de kalibratiecurve juist is, lost men 0,25 mg β-caroteen op in 0,20 liter water. 4. (1,0 punt) Bereken hoe groot dan de extinctie zal zijn. Stel dat men een extinctie meet van 0,034. 5. (0,5 punt) Hoeveel procent bedraagt dan de absorptie? Figuur 1: dubbelstraalspectrometer Figuur 2: absorptiespectrum van betacaroteen
Toets spectrometrie 31 oktober 2013 blz 2 GOUDTESTER Figuur 3: goudtester Er zijn zeer veel toepassingen van XRF-spectrometrie. Éen ervan is de goudtester uit figuur 3! Zie ook bijlage 2 voor meer informatie van de fabrikant. Om erachter te komen of er in een voorwerp goud (Z = 79) zit kan er gebruik gemaakt worden van XRFspectrometrie. 6. (0,5 punt) Leg mbv de figuren 3 en 4 uit hoe men erachter kan komen of er goud in het voorwerp zit. 7. (0,5 punt) Kan met dit apparaat ook bepaald worden of het monster uit zuiver goud (24 karaat) bestaat? Hoe zou dat dan gedaan moeten worden? Ben je er zeker van dat dit goed gaat? 8. (1,0 punt) Maak een schatting van de golflengte van de K α lijnen van goud. 9. (0,5 punt) De röntgenbuis wordt aangesloten op een spanning van 80 kv. Wat is dan de minimum golflengte die de buis uitzendt? Van goud zijn de volgende absorptiekanten bekend: 80,723 kev, 14,353 kev, 13,733 kev en 11,918 kev. Dit zijn de K- en L-absorptiekanten. 10. (0,5 punt) Schets het verloop van de massa-absorptiecoëfficiënt van goud als functie van de energie en geef aan welke de K- en welke de L-absorptiekanten zijn. 11. (1,0 punt) Teken, voor zover mogelijk, het energieniveauschema van goud en geef hierin de stralingsovergangen aan. Bereken de energie van de beide K α - lijnen. Welke lijnen zullen waarschijnlijk door de fabrikant gebruikt worden om het goud te identificeren?
Toets spectrometrie 31 oktober 2013 blz 3 Figuur 4: principe van XRF uitgelegd door de fabrikant 12. (0,5 punt) In het apparaat zit standaard een proportionaalteller (figuuur 6). Verklaar de werking van een proportionaaldetector. Hoe komt het fluorescentiespectrum tot stand? 13. (0,5 punt) De fabrikant biedt ook een Si-PIN-detector (figuur 7) aan. Welke detector zou je voorkeur hebben en waarom? KWANTITATIEVE BEPALING In deze opgave vergelijken we de overeenkomsten en de verschillen in de drie vormen van spectrometrie: uv/vis-, röntgenfluorescentie- en massaspectrometrie. In elke van deze drie vakgebieden is er een methode bestudeerd waarmee de onbekende concentratie in een monster bepaald kan worden. 14. (0,5 punt ) In welk opzicht wijkt massaspectrometrie af van andere (echte) spectrometrische methoden? 15. (1,0 punt) Wat wordt verstaan onder de juistheid van een bepaling? Hoe kan in elk van deze drie methoden de juistheid bepaald worden? 16. (0,5 punt ) Wat wordt verstaan onder de precisie van een meting? Op welke wijze wordt deze bepaald?
Toets spectrometrie 31 oktober 2013 blz 4 Bijlage 1: FORMULEBLAD bij tentamen spectrometrie NB Zie ook formules in Binas 2 4 Z e m 1 Atomen met één elektron: U n 2 2 2 8 h n o Wet van Lambert-Beer: I x I e ckx 0 Transmissie: T I I 0 Extinctie: E = - log T = bc Röntgenfluorescentie-intensiteit: I 0 kw k 2 i F (1 e d W i I ) 2 W i Braggreflectie: 2dsin = n i
Toets spectrometrie 31 oktober 2013 blz 5 Bijlage 2: GOUDTESTER zie: http://www.goldtester.in/introduction-of-xrf-technology.html Figuur 5: röntgenbuis Figuur 6: proportionaalteller Figuur 7: PIN-detector
Beoordelingsmodel uitwerkingen SPECTROMETRIE 31 oktober 2013 ABSORPTIESPECTRUM VAN β-caroteen 1) 5 punten Het beste bij 435 nm vanwege maximum, zodat ε binnen de bandbreedte nauwelijks verandert. 2) 5 punten Het maximum ligt ongeveer bij 435 nm (paars), de complementaire kleur, oranje wordt waargenomen. 3) 5 punten Blanco: cuvet met oplosmiddel zonder monster 4) 10 punten 3 0, 25 10 c = 5 = 2,328 µmol/liter 537 3 6 E= εbc= 15, 2 10 0,50 2,328 10 = 0,0177 = 0,018 5) 5 punten E 0,034 T = 10 = 10 = 0,9246; dus 92% dus de absorptie bedraagt 8% GOUDTESTER 6) 5 punten Röntgenstraling op monster; elektron uit K-schil van element in monster wordt vrijgemaakt, gevolgd door fluorescentie (overgangen van elektronen uit hoger gelegen schillen naar K-schil) waardoor röntgenstraling wordt uitgezonden, die karakteristiek is voor het element. Opmeten fluorescentiespectrum met detector en computer Kwalitatief: golflengte karakteristiek voor goud (Kwantitatief: oppervlakte piek: voor hoeveelheid goud) 7) 5 punten Zuiver goud: - Geen andere lijnen - Kalibratie met ander voorwerp van zuiver goud (oppervlakte piek gelijk) Niet zeker: er wordt alleen een dun laagje bekeken! 8) 10 punten 2 1 2 2 1 2 Δ E = Z ( Z 1) 13,6= 79 (78) 13,6= 64,192 kev ( 4 ) ( 4 ) 34 8 hc 6,626 10 3,0 10 = 64,192 kev, dus: λ = = 0, 0193 nm 3 19 λ 64,192 10 1,602 10 9) 5 punten hc hc qu = dus: λmin = = 0,0155 nm λmin qu 10) 5 punten Diagram + K- en L-absorptiekanten
11) 10 punten Energieniveaus -11,918-(-80,723) = 68,805 kev -13,733-(-80,723) = 66,99 kev Vermoedelijk L-lijnen, want 80 kv is te weinig om een elektron uit de K-schil vrij te maken. 12) 5 punten Proportionaaldetector: - spanning draad-wand - ioniseren gasatomen - op weg naar anode meerdere atomen geioniseerd - pulshoogte evenredig met energie foton - MCA! spectrum 13) 5 punten SI-PIN: scheidend vermogen is beter Proportionaalteller: veel goedkopen KWANTITATIEVE BEPALING 14) 5 punten Geen e.m. straling 15) 10 punten Juistheid: afwijking van werkelijke waarde/ mbv standaarden 16) 5 punten Precisie: nauwkeurigheid/mbv standaarddeviatie.