Ladda ner - Sök tenta
Ladda ner - Sök tenta
Ladda ner - Sök tenta
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
TENTAMEN<br />
KEMISK MÄTTEKNIK (KD1190/1110), 2011-10-18<br />
OBS! Använd ett ark per uppgift. Skriv namn på varje ark. OBS!<br />
För varje uppgift anges maximalt antal poäng. För godkänt resultat fordras 40 poäng. En<br />
sjugradig betygsskala tillämpas enligt följande:<br />
Poäng Betyg<br />
65 – 80 A<br />
59 – 64 B<br />
53 – 58 C<br />
46 – 52 D<br />
40 – 45 E<br />
36 – 39 Fx<br />
0 – 35 F<br />
Tänk på att vid frågor med flera svarsalternativ kan felaktiga uppräkningar medföra<br />
poängavdrag.<br />
Möjlighet till komplettering för att erhålla godkänt, betyg E, finns för den som ligger nära<br />
godkändgränsen. Med nära gränsen menas minst 36 poäng, betyg Fx. Kompletteringen sker<br />
muntligt efter överenskommelse med kursansvarig. Den som önskar komplettera skall<br />
kontakta kursansvarig inom en vecka efter det att vi på hemsidan och Bilda meddelat att<br />
tentorna är rättade.<br />
Hjälpmedel: Utöver penna och papper är endast kalkylator och det utdelade materialet<br />
”M&M_formelsamling” eller den äldre varianten ”Formler och tabeller statistiska metoder i<br />
Kemisk mätteknik” tillåtna.<br />
Om du gått kursen 2007-08 ange kursnummer KD1110, om du gick kursen 2006 eller tidigare<br />
ange det gamla kursnumret 3B1770 på omslaget. Samma poäng gäller för godkänt och<br />
komplettering som ovan.<br />
LYCKA TILL!
Uppgift 1<br />
Vid en jämförelse mellan två metoder (metod A och metod B) för att skapa lämplig<br />
koncentrations-nivå i en lösning erhölls följande resultat. 5 koncentrationsbestämningar då<br />
metod A använts gav ett medelvärde på 6,59 g/l och en standardavvikelse på 0,34 g/l. 5<br />
koncentrationsmätningar då metod B använts gav ett medelvärde på 6,43 g/l med en<br />
standardavvikelse på 0,37 g/l.<br />
Avgör om de två medelvärdena skiljer sig åt på ett signifikant sätt (5% signifikansnivå).<br />
Mätningarna antas vara normalfördelade och de två standardavvikelserna är inte signifikant<br />
olika.<br />
Uppgift 2<br />
En undersökning av två faktorers (A och B) inverkan på en viktig mät-storhet genomfördes.<br />
Mätningar gjordes för 3 olika värden på faktorn A samt 2 olika värden på faktorn B. För var<br />
och en av faktorkombinatio<strong>ner</strong>na av A och B gjordes 3 upprepade mätningar av mätstorheten.<br />
Data bearbetades och följande kvadratsummor (sum of squares) beräknades. Mellan Avärden:<br />
765, mellan B-värden: 522, samspel: 674, residual (slump, error): 1243.<br />
a) Beräkna samtliga medelkvadratsummor (mean squares).<br />
b) Avgör om samspel mellan faktor A och faktor B är signifikant (5%-nivå).<br />
Uppgift 3<br />
Mobilfasens påverkan på den kromatografiska separationen är olika i GC och LC.<br />
a) Vilka är de tre vanligaste bärgaserna i GC? (1p)<br />
b) Hur påverkar valet av mobilfas upplösningen i GC? Förklara kortfattat vad det är som<br />
gör att olika bärgaser ger olika resultat. Illustrera gärna med en figur. (3p)<br />
c) Ge exempel på två andra faktorer som påverkar valet av bärgas. (1p)<br />
d) Hur och varför skulle en ändring av förhållandet mellan metanol och vatten i en LCmobilfas<br />
påverka upplösningen om du använde ett RP-system (reversed phase)? (3p)<br />
Uppgift 4<br />
a) Nyligen förorenades dricksvattnet i Bjurtjärn i Värmland av eldningsolja (villaolja)<br />
eller dieselolja. Dessa två fossila petroleumbaserade oljor innehåller liknande<br />
blandningar av långkedjiga kolväten. Hur skulle oljorna kunna analyseras mha<br />
kromatografi för att undersöka om det skulle gå att avgöra vilken olja som förorenat<br />
vattnet? Ange lämplig teknik/metod, stationärfas, mobilfas och detektor (dessvärre<br />
inte MS!). Motivera dina val! (4p)<br />
b) Under den här tiden på hösten är det många som gör egen saft av frukt och bär. De<br />
flesta använder sig då av glasflaskor för förvaringen. Man skulle också kunna använda<br />
plastflaskor men det har vissa nackdelar. Tex kan plasten släppa ifrån sig föroreningar<br />
och syre kan läcka in i flaskorna vilket ger en oxidation av ämnen i saften. Om saften<br />
lagrades en viss tid i glas- respektive plastflaskor och analyserades före och efter<br />
lagring så skulle eventuella oxidationsprodukter i saften kunna spåras. Hur skulle<br />
analysen utföras kromatografiskt? Ange lämplig teknik/metod, stationärfas, mobilfas<br />
och detektor (dessvärre inte MS!). Motivera dina val! (4p)
Uppgift 5<br />
Du vill bestämma fluoridhalten i en lösning med hjälp av en fluoridselektiv elektrod. Innan du<br />
mäter på det okända provet gör du en kalibrering med jämförelsestandarder.<br />
a) Vad behöver du göra med dina lösningar för att kunna kalibrera mot koncentration istället<br />
för aktivitet? Motivera varför med hjälp av sambandet mellan aktivitet och koncentration!<br />
(2 p)<br />
b) Ange ekvationen för kalibreringssambandet (1p). Rita upp en kalibrerkurva samt använd<br />
denna för att beräkna halten fluorid i det okända provet med hjälp av nedanstående mätdata.<br />
(3p)<br />
Kalibrering:<br />
[F - ] [mM] E [mV]<br />
0,001 80<br />
0,01 20<br />
0,1 -40<br />
1 -100<br />
10 -160<br />
Okänt prov:<br />
E [mV]<br />
-70<br />
c) Nedan är en del av det potentiometriska systemet för mätningen avbildat. Var sitter det<br />
fluoridselektiva membranet och vad består det av? (1 p) Var sitter saltbryggan och vilken<br />
funktion har den? (1 p) (Rita av bilden eller lämna in sidan med ditt namn på)
Uppgift 6<br />
En nybliven ingenjör arbetar på ett företag där man vill rena en syralösning från metaller bl.a<br />
zirkonium. Vid försöken behöver man mäta zirkoniumhalten. Tidigare har man skickat<br />
proverna på ICP-analys men nu vill man utveckla en egen spektrofotometrisk metod i stället.<br />
Zr bildar ett violett komplex med den röda komplexbildaren pyrogallolrött.<br />
a) Beskriv vilka olika steg man gör för att utföra den spektrofotometriska analysen. Hur<br />
gör man kalibreringen? (4p)<br />
b) Provet har en från början hög halt på 19 g/l så man måste späda provet 1:10000 för att<br />
komma i rätt haltområde för analysen.<br />
Hur ska man späda för att den sammansatta osäkerheten ska bli så liten som möjligt?<br />
Till sin hjälp har vår nyutexami<strong>ner</strong>ade ingenjör ett antal pipetter och kolvar på<br />
följande volymer och osäkerheter:<br />
Pipetter: 1 ml ± 0,01 ml; 10 ml ± 0,01 ml<br />
Kolvar: 100 ml ± 0,1 ml; 1000 ml ± 0,1 ml<br />
(Det finns flera kolvar och pipetter av samma volym och osäkerheten är<br />
normalfördelad)<br />
Förklara genom att sätta upp ett samband för osäkerhetsanalysen för olika<br />
spädalternativ. Räkna ut osäkerheten. (4p)<br />
Uppgift 7<br />
Ett annat alternativ för analys av Zr är AAS.<br />
a) Vad behöver man då ha för extra utrustning för just den analysen? Varför? (2p)<br />
b) Det finns två typer av AAS. Vilka? Beskriv provinförseln i de båda teknikerna. ((2p)<br />
c) Vilken av de båda AAS-teknikerna har lägst detektionsgräns? Varför? (1p)<br />
d) En annan atomär spektroskopimetod är ICP. Nämn 2 fördelar med ICP jämfört med AAS<br />
och en nackdel. Motivera varför det är en fördel/nackdel. (3p)<br />
Uppgift 8<br />
a) Hur kan man ta reda på en analysmetods riktighet? (2p)<br />
b) Hur avgör man om två metoder har olika precision? (1p)<br />
c) Vad menas med repeterbarhet respektive reproducerbarhet? (1p)<br />
d) Man har för att jämföra några olika lab med varandra skickat ut två prover med ganska<br />
lika halt till vardera lab och fått följande resultat:<br />
Lab Prov A Prov B<br />
1 4,5 5,0<br />
2 2,0 3,0<br />
3 5,0 6,0<br />
4 3,5 4,0<br />
5 4,0 3,5<br />
Gör en Youden plot och visa och beskriv hur man kan avgöra om det finns systematiska eller<br />
slumpvisa fel mellan de olika laboratorierna. (4p)<br />
Uppgift 9<br />
Välj med motivering en lämplig spektroskopisk metod för följande exempel:<br />
a) Man har upptäckt en gammal skrottipp med diverse metallskrot i skogen och vill ta reda<br />
på om vatten från en brunn som ligger ganska nära innehåller förhöjda halter av några<br />
tungmetaller. (2p)
) Det finns en väldigt blå sportdryck som bl. a. delades ut på Bellmansstafetten. Du vill<br />
analysera halten av färgämnet. (2p)<br />
c) Vid en organisk syntes tillverkades ett ämne som efter kristallisation ska kontrolleras om<br />
det är vad man förväntat sig. (2p)<br />
d) Nämn och förklara kortfattat en metod som är användbar om man vill automatisera en<br />
spektrofotometrisk analys. (2p)<br />
Uppgift 10<br />
Gaskromatografi används ofta till att bestämma hur effektiv en reningsprocess är efter till<br />
exempel syntes för organiska föreningar.<br />
Man vill bestämma halten av isopentan och pentanol som förekommer som föroreningar i<br />
pentan för att se om de ligger under det accepterade gränsvärdet. Man har två ”batcher” av<br />
pentan där 5 vol% isopropanol har tillsats som en internstandard till bägge prover som<br />
analyseras mha GC utrustad med en FID- detektor. Halterna får ej överstiga 2,0 vol%<br />
isopentan och 1,5 vol% pentanol i pentan.<br />
Man erhöll nedanstående kalibreringskurvor vid kalibrering för de två analyterna.<br />
0,40<br />
0,30<br />
0,20<br />
0,10<br />
A.kvot<br />
Isopentan<br />
y = 0,1601x + 0,0018<br />
0,00<br />
0,00 0,50 1,00<br />
Vol%<br />
1,50 2,00<br />
0,30<br />
0,20<br />
0,10<br />
För de två olika proverna ge<strong>ner</strong>erades nedstående areavärden för analyterna.<br />
A.Pentanol A.Isopentan A.Isopropanol<br />
Prov 1 41 81,25 500<br />
Prov 2 867 1655 5000<br />
A.kvot<br />
Pentanol<br />
y = 0,0669x + 0,049<br />
0,00<br />
0,00 1,00 2,00<br />
Vol%<br />
3,00 4,00<br />
a) Vad är halterna av<br />
pentanol och isopentan i de två olika proverna? Anses dessa två prover tillräckligt rena<br />
(motivera)? (2p)<br />
b) I kvantitativa bestämningar med gaskromatografi är det lämpligt att kalibrera mot en<br />
intern standard. Förklara varför det är lämpligt att använda intern standard i detta fall?<br />
Visa gärna med bild/kromatogram. (2p)<br />
c) Vilka ge<strong>ner</strong>ella krav ställs på en intern standard? (1p)<br />
d) Vilka av dessa faktorer behöver optimeras i respektive GC-kromatogram nedan och<br />
hur går man till väga? (3p)<br />
Den kromatografiska upplösningen kan beräknas genom<br />
R <br />
N 1<br />
k´<br />
<br />
4 1<br />
k´
Svar och lösningar, <strong>tenta</strong>men KD1190/KD1110, 2011-10-18<br />
Uppgift 1<br />
De två skattade s-värdena är inte signifikant olika. ”Poolat” s-värde kan beräknas enligt:<br />
2<br />
2<br />
2 ( 5 1)<br />
0,<br />
34 ( 5 1)<br />
0,<br />
37<br />
s <br />
5 5 2<br />
s 0,<br />
3553<br />
<br />
0,<br />
12625<br />
Beräkning av t-värde för jämförelse mellan två medelvärden görs enligt:<br />
t <br />
6,<br />
59<br />
0,<br />
3553<br />
<br />
6,<br />
43<br />
1<br />
5<br />
<br />
1<br />
5<br />
<br />
0,<br />
71<br />
Kritiskt t-värde för (5-1)+(5-1)=8 frihetsgrader fås ur tabell (95%; 0,05) till 2,31, vilket är<br />
större än det framräknade t-värdet för mätdata. Alltså är de två medelvärdena inte signifikant<br />
olika.<br />
Alternativ lösning med hjälp av beräkning av konfidensintervall:<br />
1 1<br />
( 6,<br />
59 6,<br />
43)<br />
0,<br />
71<br />
0,<br />
3553 0,<br />
16 0,<br />
52<br />
5 5<br />
Noll ingår i konfidensintervallet. Alltså är de två medelvärdena inte signifikant olika.<br />
Svar: De två medelvärdena skiljer sig ej åt på ett signifikant sätt (5% signifikansnivå).<br />
Uppgift 2<br />
Undersökningens data analyseras med hjälp av variansanalys (tvåvägs ANOVA).<br />
a)<br />
Tre olika värden på A innebär att antalet frihetsgrader för A är 2. Två olika värden på B<br />
innebär att antalet frihetsgrader är 1. Samspelet AB har då 2 (2·1) frihetsgrader. För var och<br />
en av de sex (3·2) olika kombinatio<strong>ner</strong>na av A och B tas tre mätvärden upp. Detta innebär att<br />
residualen har 12 frihetsgrader (3·2·(3-1)). Totala antalet frihetsgrader är då 12+2+1+2= 17.<br />
Medelkvadratsummorna blir: 765/2=382,5; 522/1=522; 674/2=337 och 1243/12=103,6<br />
Svar: 382,5; 522; 337; 103,6<br />
b)<br />
FSamspel = 337/103,6 = 3,25 är mindre än F0,05 (2,12) = 3,885.<br />
Svar: Samspel mellan A och B ej är signifikant (5% signifikansnivå).
Uppgift 3<br />
a) Kvävgas, vätgas, helium<br />
b) van Deemterkurvan blir olika för de olika gaserna pga att analyternas diffusion är olika i<br />
gaserna. Det innebär att effektiviteten för en given hastighet blir olika och därigenom blir<br />
också upplösningen olika. Den optimala gashastigheten skiljer sig mellan gaserna och det gör<br />
även lutningen på kurvan över den optimala punkten. Det går tex att ha högre hastigheter m<br />
He än kvävgas utan att förlora så mkt i effektivitet.<br />
c) Säkerhet, pris eller detektorval.<br />
d) Om metanolandelen ökade så skulle retentionen bli lägre eftersom interaktionen mellan den<br />
opolära statfasen och analyten skulle bli mindre. Det skulle i sin tur leda till en minskning av<br />
upplösningen. Storleken på minskningen beror dock på hur stor retentionen var från början.<br />
Uppgift 4<br />
a) GC då dessa ämnen är tillräckligt flyktiga, opolär stationärfas eftersom det är opolära<br />
ämnen som då kommer att retarderas beroende på kokpunkt, tex He om man vill ha bra<br />
effektivitet men hög hastighet, FID eftersom det är kolväten.<br />
b) Eftersom det är ämnen som är lösta i saften och som har stannat där är de förmodligen<br />
vattenlösliga och inte så flyktiga. Därför kan LC med NP vara lämpligt. Tex kan en<br />
diolbaserad stationärfas användas med en opolär lösningsmedelsblandning som<br />
toluen/etylacetat som mobilfas. Även RP (tex C8) kan tänkas fungera om<br />
elueringsstyrkan/polariteten på mobilfasen anpassas så att tillräcklig retention erhålls och<br />
ämnena har någon opolär karaktär. De ämnen som är UV-absorberande kan detekteras m UVdetektor<br />
men om även ämnen som inte absorberar UV förekommer så krävs RI-detektor.<br />
Uppgift 5<br />
a) tillsätta TISAB för att öka jonstyrkan, och hög jonstyrka ger konstant (låg)<br />
aktivitetskoefficient γ<br />
b) Nernst ekvation<br />
(där ) (1 p).<br />
[F - ] [mM] log[F - ] E [mV]<br />
0,001 -3 80<br />
0,01 -2 20<br />
0,1 -1 -40<br />
1 0 -100<br />
10 1 -160<br />
Plotta E mot log[F - ], ger linje med ekvationen [ ] , där E = -70 ger<br />
log[F - ] = -0,5 dvs. [F - ] = 0,32 mM<br />
Korrekt storheter på axlarna (E vs. log[F - ]) och negativ lutning på linjen ger 2p, fullständig<br />
lösning med rätt svar ger 3p.<br />
c) Saltbryggan behövs för sluten elektrisk krets. Membranet består av en LaF3-kristall.<br />
Uppgift 6<br />
a) Olika lösningar med olika halt av Zr görs i ordning. Till dessa lösningar sätts samma<br />
mängd pyrogallolrött och eventuellt buffert. Även en lösning med bara<br />
komplexbildaren utan Zr behövs som referens. Eftersom komplexbildaren är färgad<br />
bör man undersöka våglängdskurvan mot vatten för både komplexbildaren ensam och<br />
Zr-komplexet separat för att se att λmax inte överlappar. Sedan körs Zr-komplexet mot<br />
pyrogallolrött som referens och λmax registreras. Vid denna våglängd körs sedan alla<br />
jämförelse-standarder och provet som gjorts i ordning på samma sätt som<br />
standarderna. Kalibrerkurva upprättas och provets halt beräknas.
) Gör spädningen 10/1000*10/1000 det ger felet (s/R) 2 =<br />
(0,01/10) 2 +(0,1/1000) 2 +(0,01/10) 2 +(0,1/1000) 2 vilket ger s=0,0027 då R=1,9 mg/l<br />
jämfört med s= 0,0192 om man späder 1/1000*10/100. (Det är ok att bara jämföra<br />
(s/R) 2 i de två fallen utan att slutföra beräkningen.)<br />
Uppgift 7<br />
a) Hålkatodlampa för Zr för att få den rätta smala våglängden som Zr-atomerna kan ta<br />
upp.<br />
b) AAS med flamma och grafitugn. För flamma behövs en förstoftare, provet sugs in via<br />
en kapillär och bildar en aerosol. I grafitugnen förs provet in med en spruta genom ett<br />
litet hål i grafitröret.<br />
c) Lägst detektionsgräns med grafitrör eftersom provet blir mer koncentrerat.<br />
d) Fördelar med ICP: den högre temperaturen ger mindre problem med kemiska<br />
interferenser, flera ämnen kan analyseras samtidigt eftersom ingen lampa behövs. Att<br />
använda ICP är dyrare än AAS eftersom mycket argongas förbrukas.<br />
Uppgift 8<br />
a) För att bestämma riktigheten behövs certifierade referensprover eller en annan säker<br />
metod att jämföra med. Ett t-test kan avgöra om avvikelsen är signifikant. Det relativa<br />
felet ger också ett mått på hur pass bra riktigheten är.<br />
b) F-test används för att avgöra skillnader i precision.<br />
c) Med en metods repeterbarhet menas hur lika värden man får vid upprepningar av<br />
samma analys på samma prov på samma lab med samma personal. Reproducerbarhet<br />
innebär att analyserna körs på olika lab med olika personal och instrument.<br />
Prov B<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Youden-plot<br />
0 5 10<br />
Prov A<br />
Olika lab<br />
x_medel, y_medel<br />
Linjär (Diagonal)<br />
d) Om det är systematiska fel/avvikelser mellan laboratorierna följer punkterna, som<br />
motsvarar de båda proverna mot varandra, diagonalen i figuren. Högt värde på prov A<br />
innebär även ett högt värde på prov B. Om det bara är slumpvisa avvikelser får man<br />
lika många punkter i alla fyra rutorna i diagrammet.<br />
Uppgift 9<br />
a) Välj ICP då halterna är låga och man inte vet vilka metaller man söker samt att det är<br />
fråga om flera metaller.<br />
b) Spektrofotometri i det synliga området. Bra kvantitativ analysmetod.
c) IR passar bra för organiska ämnen. Bra metod för identifikation och höga halter.<br />
d) FIA, flow injection analysis. Analysen sker i ett flödessystem där reagens och prov<br />
förs samman och flödeskyvett används i spektrofotometern.<br />
Uppgift 10<br />
a) Halten av analyten i proverna bestäms genom att ta areakvoten mellan analyt och<br />
intern standard som kalibrerkurvan bygger på. Den interna standarden är isopropanol<br />
(Astandard), har tillsats lika mycket i alla prover 5 vol%.<br />
Aanalyt<br />
Akvot<br />
<br />
A<br />
s tan dard<br />
A.k Pentanol A.k Isopentan<br />
Prov 1 0,082 0,1625<br />
Prov 2 0,1734 0,331<br />
Från kalibrerkurvans ekvation för vardera ämne kan halten bestämmas;<br />
Pentanol: y = 0,0669x + 0,049<br />
Isopentan: y = 0,1601x + 0,0018<br />
Ger halten (x) för vardera ämne<br />
Gränser:<br />
Pentanol: 1,5 vikt%<br />
Isopentan: 2,0 vikt%<br />
Prov 1: Halterna ligger under gränsvärden.<br />
Prov 2: Halterna för bägge ämnen ligger över gränsvärden.<br />
b) De vanliga detektorerna mäter mängd och inte koncentration. Vid provinjektionen är<br />
det svårt att få en reproducerbar mängd, vilket ger ett stort fel om man direkt mäter<br />
analytmängden. Felet elimi<strong>ner</strong>as om man använder intern standard.<br />
c) Ska ha så lika egenskaper som analyten som möjligt, men ändå så olik att det går att<br />
separera/skilja dessa åt. Den ska dessutom vara i<strong>ner</strong>t så till vida att den inte reagerar<br />
med analyten.<br />
d)<br />
Prov 1 Prov 2<br />
Pentanol 0,49 1,86<br />
Isopentan 1,00 2,06<br />
A. Effektiviteten (n), breda toppar. Ändra hastigheten på mobilfasen.<br />
B. Retentionsfaktorn (k´), analyterna kommer ut för snabbt relativt dödtiden.<br />
Ändra temperaturen, för att hålla kvar analyterna längre i systemet.<br />
C. Selektiviteten (α), analyterna dras likartat till stationärfasen. Byte av<br />
stationärfasen.