DRUKKNOPCHEMIE

deur

P.K.FAURE B.se. HONS. (S.A.), PH.D. (RHODES)

Rede uitgespreek by die aanvaarding van die amp van Hoogleraar in Chemie aan die Randse Afrikaanse Universiteit op Maandag

3 November 1969 om 8.00 nm.

Publikasiereeks van die Randse Mrikaanse Universiteit

A 25 JOHANNESBURG

1970

Die Publikasies van die Randse Afrikaanse Universiteit verskyn in die volgende reekse:

A: INTREEREDES EN LESINGS,

B: NAVORSING DEUR DOSENTE EN STUDENTE.

Die menings hierin uitgespreek, is die van die skrywer en nie noodwendig die van die Universiteit nie.

© KOPIEREG RANDSE AFRIKAANSE UNIVERSITEIT. 1970

- 73843­

Push..Button Chemistry

SUMMARY

The past 10-15 years has seen a tremendous upsurge in the use of instruments for performing chemical analyses, and already the point has been reached where it is possible to train an unskilled operator in a relatively short time merely to push the correct buttons on a "black box" and thereby produce ana­lytical results rapidly.

A simplified model of the atom is described, and it is shown how various instrumental analytical methods may be developed merely by making use of some specific physical property of the atom only. The principles of four such instrumental techniques, all of which are currently already in general use, are outlined briefly; these are atomic emission spectroscopy, atomic absorp­tion spectroscopy, X-ray fluorescence spectroscopy, and activa­tion analysis. Some of the more important problems encountered in these methods are mentioned, and an indication is given of the areas to which research is still being directed in order to improve these techniques and make them of more general appli­cation. Reference is also made briefly to two newer analytical methods which also utilize properties of the atom only and which are currently still in process of development.

Some thoughts are expressed regarding the reasons for the great expansion in the application of instrumental techniques to Chemistry in general, and the economic implications thereof are discussed, with particular reference to the financial plight of univelsities in this respect.

Geagte meneer die Rektor en Vise-kanselier,

Lede van die Raad,

Dames en here kollegas van hierdie Universiteit, asook van ons suster-universiteite,

Dames en here vriende en belangstellendes,

Dames en here studente,

As inleiding tot my onderwerp wil ek deur middel van 'n paar prente grafies die groot verandering en vooruitgang wat gedurende die afgelope paar eeue in die praktiese beoefening van die vak Chemie plaasgevind het, aantoon. Figuur 1 is die welbekende skildery van "Die Alchemis", geskilder deur Pieter Bruegel in die sestiende eeu. By sit hier by sy boeke, besig met sy alewige soektog na die fundamentele waarheid. Die kinders speel sommer in sy laboratorium (as mens dit so mag noem), en sy handlangers bak en brou met allerlei misterieuse reaksies. Een van sy groot drome was om lood om te skep tot goud met behulp van die steen van die wyse - glad nie so 'n onrealistiese droom nie, soos ons ook later sal sien. Blykbaar is dit dan ook die eksperiment waarmee die assistent aan die linkerkant van hierdie prent besig is. Die skildery is besonder gedetailleerd, en 'n studie daarvan sal 'n idee gee van die ruwe apparaat waarmee daar in daardie tye gewerk moes word.

Partymaal dink ek daar is nou nog mense op hierdie aarde wat met 'n beeld van 'n chemikus rondloop soos afgebeeld in

5

FIGUUR 1. "Die Alchemis" (afgedruk van 'n ski/dery deur Pieter Bruegel.)

Bruegel se skildery. So nie, dan dink die meeste mense seker darem aan iemand wat in 'n ietwat meer ordelike laboratorium werk met proefbuise, bekers en allerhande ander stukke glas­apparaat, soos in Figuur 2. Dit is 'n prent van 'n betreklik moderne chemiese laboratorium - toevallig (maar darem ook nie juis nie!) is dit ons eie algemene laboratorium hier aan die Randse Afrikaanse Universiteit. Dit is tipies van die meeste sogenaamde "nat laboratoriums" waar chemiese reaksies uitge­voer word met die oog op analise van die beginstof. Die analise kan wees kwalitatief (om te bepaal watter stowwe teenwoordig is), of kwantitatief (om uit te vind hoeveel daar van iets is), of ander­sins kan die reaksie toegespits word op bepaling van die struktuur van die materiaaJ.

Die ontwikkeling vanaf die alchemie tot die algemene "witjasbeeld" van die Chemie (as ons die afbeelding in Figuur 2 so II?ag beskrywe) was maar stadig en het oar honderde jare geskled. Maar, net soos daar op aile ander vakgebiede in latere jare gebruik gemaak is van meer gevorderde tegnieke wat ont­staan het as gevolg van die geweldige kennisontploffing wat orals plaasgevind het, so is daar ook in die afgelope dekade of twee al hoe meer gebruik gemaak van instrumente vir allerlei chemiese bepalings. Dit kan met veiligheid gese word dat die

6

gebruiksfrekwensie en die graad van sofistikasie van instrumente albei eksponensieel toegeneem het en nog steeds toeneem. So het daar ontstaan die hedendaagse "black box", soos tipies

FIGUUR 2. 'n Moderne algemene chemiese laboratorium.

afgebee!d in Figuur 3. Met hierdie "black box" (of watter kleur ook al - die keuse van die apparaat hang af van wat daarbinne is, ~ie van die. b~itegewaad nie) kan die een operateur sovee! anahses beharbg m een dag, en waarskynlik met groter betrou­baar~eid, as wat vir sy chemi~us-vader 'n paar weke geneem het; ~n ~lt a~les doen hy ~eur net n ~aar knoppies te druk! Boonop IS dlt dlkwels selfs me eers nodlg om enige chemiese kennis te besit nie, solank dinge maar regloop!

Die feit dat "the black box is here to stay", soos die Ameri­k~ner sou se, werp onmiddellik 'n paar vrae op. Hoe werk die dmg? Waar en waarvoor word dit gebruik? Selfs vir 'n leek is dit klaarblyklik baie duurder as 'n paar proefbuise en bekers (~n d.ie kostevergelykingsfaktor is van die orde duisend) - is dlt dIe groot onkoste werd? En is die tydsbesparing wat dit meegebring het werklik vir ons van soveel belang?

Die eerste vraag, "Hoe werk die ding?", is tegnies van aard, wat ek seker meer bevoegd is om te beantwoord as die meer

7

FIGUUR 3. 'n Tipiese chemiese "black box".

ekonomies- en filosofies-gesinde vrae. Ek sal dus eerstens probeer verduidelik wat binne 'n "black box" mag aangaan deur 'n paar analitiese metodes te beskrywe waarin ek self besonder belang­tel.

As uitgangspunt wil ek neem die atoom - die kleinste en eenvoudigste gedeelte van 'n element wat nog die eienskappe van daardie element behou. Volgens moderne teorie word die atome van aIle elemente gebou vanuit drie fundamentele partikels, naamlik protone, neutrone en elektrone. (Die fisici vertel ons daar is nog baie meer fundamentele partikels as die drie, soos daar weI ook is, maar die meeste verskynsels in die Chemie kan met behulp van hierdie drie deeltjies beskrywe en verklaar word, en dit sal hierdie voordrag net onnodiglik kompliseer om meer

8

as hulle in aanmerking te neem). Ter verduideliking vir die lede van ons susterfakulteite en ander leke wie se kennis 'n bietjie verroes het: Die elektron is die ligste van die drie partikels (9' I x 10-28 gram), en dit besit 'n lading van een eenheid van negatiewe elektrisiteit. Die proton en die neutron is ongeveer ewe swaar, elkeen sowat I 800 maal swaarder as die elektron, maar hulle verskil van mekaar deurdat die neutron elektries ileutraal is terwyl die proton een eenheid van positiewe lading besit (dieselfde grootte, maar teenoorgestelde sein as die elektron se lading). Die massa van die atoom word dus hoofsaaklik bepaal deur die aantal protone en neutrone teenwoordig, en die twee vorm altyd saam die kern van die atoom, wat uiters klein is - die deursnee is maar van die orde van 10-12 - 10-13

sentimeter. Die orde-grootte van die deursnit van atome is egter sowat 10-8 sentimeter (dit wil se, 10 000 - 100 000 maal groter as die van die kern), en die orige ruimte word in beslag geneem deur die elektrone wat buite die kern bestaan.

Vanuit hierdie dimensies is dit maklik om te sien dat, wan­neer atome saamkom om te reageer of met mekaar te verbind, dit die elektrone is wat eerste kontak met mekaar sal maak en wat dus verantwoordelik sal wees vir enige reaksie wat mag plaas­vind. Die protone en neutrone neem inderdaad nooit deel aan enige normale chemiese reaksies nie. Nogtans is die aantal protone in die kern (wat genoem word die atoomgetal) die belang­rikste enkele eienskap van enige element; dit varieer van element tot element, maar is absoluut spesifiek vir enige gegewe element. Die rede vir die belangrikheid van hierdie getal volg daaruit dat enige atoom op sigself elektries neutraal is, en dat daar derhalwe net soveel negatiewe elektrone rondom en buite die kern moet wees as wat daar protone binne die kern is. Hierdie elektrone is egter nie sommer wanordelik geplaas rondom die kern nie, maar volgens baie spesifieke en fyn vasgestelde reels.

Een van ons kollegas het in sy intreerede gese dat daar hedendaags nog baie kwantummeganika gepraat word met 'n Bohr-aksent! Die fyn vasgestelde reels van atoomstruktuur is gebaseer op moderne kwantummeganiese berekenings, en ons studente moet die beginsels hiervan deeglik leer. My kollegas in die natuurwetenskap sal egter almal volkome bewus wees van hierdie reels, en ek wil nie nou atoomstruktuur in sy fyn beson­derhede doseer aan die res van die gehoor me. Daarom salons maar die vereenvoudigde Bohr-model van die atoom neem, want dit is voldoende vir die verdere uitbreiding van atoom­eienskappe wat in hierdie lesing benodig sal word.

9

Volgens die Bohr-prent kom die elektrone b~ite ~ie kern in bepaalde elektronskille voor, soos afgebeeld In FIguur 4. So kry mens, as daar weggegaan word van die kern, die K-, L- M- N- ens. skille wat ekwivalent is aan hoofkwantumgetalle n ~ 1 '2, 3' 4 ensovoorts. Elke skil kan slegs 'n sekere maksimum aantai elektrone bevat (2, 8, 18, ens., soos tussen hakies aangedui word); dit is egter altyd toegelaat om minder te bevat, maar weer eens volgens 'n vasgestelde patroon, naamlik: namate die kern opgebou word met meer protone en neutrone, en die aantal elektrone dus insgelyks vermeerder om elektriese neutrali­eit te behou, word die elektronskille naaste aan die kern aItydt

o

4

5 FIGUUR 4. Die Bohr-model van die atoom.

10

eerste opgevuI. Die rede hiervoor is dat die skille in werklikheid verskillende moontlike energievlakke voorstel, waarin die elek­trone stabiel kan voorkom. Die vlakke word volgens energie aangedui in Figuur 5, en dit sal opgemerk word dat, hoe laer die waarde van die hoofkwantumgetal, n, hoe laer is die energie van die geassosieerde skiI ; ook dat die verskil in energie tussen

~ .!l / "-,

\.

/

/ CD

9 6

5

../ 4

SKIL MAKSIMUM!!. --... ELEKTRONE P 1: 0 !5)N

~1II111 4 32-

M 3 18

•11 L 2

K 1 FIGUUR 5. Energievlakdiagram van die Bohr-atoom.

11

naburige vlakke vinnig afneem namate die waarde van n ver­meerder. So is, by voorbeeld, die energieverskil tussen die K­en L-skille (n = I en 2 respektiewelik) baie groter as die tussen die M- en N-skille (11 = 3 en 4 respektiewelik). Eintlik is die werklike verskille nog veel groter as hier afgebeeld, want om tegniese redes, weens die opeenhoping van lyne by groter waardes van 11, is dit nie moontlik om die vlakke streng volgens skaal op die energie-as te teken nie.

Dit is 'n wet van die natuur dat die mees stabiele toestand van enige sisteem altyd die een is wat die laags moontlike energie bevat. Aangesien 'n elektron in die K-skil laer energie besit as in enige ander ski!, sal hierdie skil altyd eerste opgevul word by die opbou van atome. Dit kan egter nie meer as twee elektrone neem nie, en die volgende elektrone sal dus in die L-skil geplaas word. Die sal vol wees waillleer dit agt elektrone besit, wanneer daar oorgegaan sal word na die M-skil. En so word die elektrone van aIle elemente in hul atome geplaas, met geleidelike opvulling van die elektronskille in die volgorde K-, L-, M·, ens., dit wil se, altyd vanaf die binneste skil na buite. Die afbeelding in Figuur 5 is eintlik heelwat vereenvoudig, want die verfyndhede wat die kwantummeganika ingebring het, dui aan dat daar 'n sekere mate van opsplitsing van die energievlakke ook plaasvind, met resulterende oorvleueling van party van die newevlakke, veral van die wat gevorm word vanaf kwantumgetal 11 = 3 (die M-skil) en hoer. Sulke opsplitsing sal dan ook die orde van plasing van die elektrone effe wysig. Maar hierdie wysigings lei nie tot 'n drastiese verandering in die eenvoudige beeld van 'n atoom wat ons reeds geskets het nie, naamlik dat sy elektron­skille van binne na buite sal opvul, elke keer met versadiging van 'n energievlak voordat elektrone in die volgende ski! geplaas word. Sodoende kry ons dan die heel eenvoudige beeld van 'n atoom wat aangedui is in Figuur 6, naamlik dat dit as 't ware bestaan uit drie verskillende dele: die kern, die binne-elektrone en die buite-elektrone.

Met hierdie beeld van 'n atoom is dit nou maklik om te sien dat, wanneer twee atome mekaar nader, dit eintlik die buite~ elektrone van die atome sal wees wat eerste kontak met mekaar sal maak, en dus verantwoordelik sal wees vir enige reaksies wat mag plaasvind. Ons het alreeds die kerne uitgesluit van deelname aan chemiese reaksie, en hierby kan ons nou ook die binne-elektrone voeg, want hulle behoort, in 'n groot mate altans, redelik onreaktief voor te kom. Dit is dan ook waar dat die chemiese eienskappe van elemente hoofsaaklik te wyte

12

FIGUUR 6. Vereenvoud;gde beeld vall 'II aloom.

is aan die buite-elektrone van die atome - aan hul getal en rangskikking, wat albei op hul beurt afhanklik is van die atoom­getal as daar in gedagte gehou word die ordelike opbou van die elektronstruktuur. Dit beteken dus dat, toe analises deur al die jare heen uitgevoer is wat berus het op reaksies tussen elemente en hul verbindings, daar eintlik maar slegs met die klein buitegedeelte van die atoom gewerk was.

Wat van die ander dele van die atoom? Die kern, byvoor­beeld, met sy spesifieke aantal protone vir 'n gegewe element, is tog seker net so kenmerkend in sy eienskappe as die buite-elektrone. Kan mens dan nie van hierdie gedeelte ook gebruik maak vir analitiese doeleindes nie?

13

Die antwoord op hierdie vraag is: Ja, beslis! Inderdaad is dit moontlik om al die dele waarin ons die atoom ingedeel het te gebruik, maar nie op dieselfde eenvoudige wyse as met sigbare en meetbare chemiese reaksies nie. Nou sal daar gebruik gemaak moet word van gespesialiseerde instrumente om die fisiese veranderings wat plaasvind, kwantitatief te meet.

En wat is die fisiese veranderings wat gemeet kan word? Wei, kom ons kyk eers na die sogenaamde elektromagnetiese spektrum (Figuur 7). Hier is feitlik niks waarmee ons nie reeds

Radiogolwe Infrarooi x- strale

Ultraviolet

Mikrogolwe Sigbaar Gammastrale

10 8 10 6 10 4 10 2 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14

Golflengte, em

FIGUUR 7. Die elektromagnetiese spektrum.

almal bekend is, of altans waarvan ons nie gehoor het nie. Die radiogolwe yang ons daagliks op ons transistorradio's op; die langer mikrogolwe word in radar gebruik; die meeste van ons het al onder infrarooi- en ultravioletlampe gesit, of is al met X-strale ondersoek; en y-strale word heel dikwels gebruik as terapiemiddel. Hierdie is almal vorms van stralingsenergie wat een eienskap gemeenskaplik besit: hulle is almal van geaardheid golwe wat beweeg teen die snelheid van lig, en hulle verskil van mekaar slegs in die lengte van die golwe. So vind ons dat die radiogolwe 'n baie lang golflengte het (van die orde van meters en kilometers), terwyl die golflengte van die lig wat ons kan sien, veel korter is (10-4 - 10-5 sentimeter); en X-strale en y-strale se golflengtes is weer eens nog baie korter as die.

Aangesien al die golwe teen dieselfde snelheid (c) beweeg, is dit vanselfsprekend dat, hoe korter die lengte van 'n spesifieke golf, hoe meer van daardie golwe by 'n spesifieke punt sal verby­trek in een sekonde. Ons noem hierdie hoeveelheid die frekwen­

14

sie (v) van die golwe, en dit word wiskundig gekoppel aan die golflengte (,\) deur die vergelyking:

.. (I)

Ons het gese dat al die stralings of golfbewegings energie besit. Net soos 'n massa seesand nie slegs een groot massa voorstel nie, maar eintlik bestaan uit 'n groot aantal klein massas (die individuele salldkorrels), so bestaan die totale energie van 'n ligstraal ook uit 'n aantal klein diskrete pakkies van energie, of kwanta soos hulle genoem word. Die verhouding tussen energie en frekwensie (of golflengte) word aangegee deur die vergelyking:

E = hv = hc/,\ .. (2)

E energie; h = Planck se konstante

am die vergelyking van die massa seesand 'n stap verder te neem - die totale massa kan bestaan uit 'n aantal identiese sandkorrels met eenderse massas, of uit korrels van verskillende groottes; laasgenoemde kan geskei word in fraksies van eenderse grootte deur 'n sifproses. Op dieselfde wyse kan enige totale hoeveelheid stralingsenergie ook bestaan uit een of meer groottes van kwantumenergie, en kan dit ook opgebreek word in fraksies waar identiese individuele kwanta saam gegroepeer sal word volgens hul golflengte of frekwensie, soos blyk uit vergelyking (2). Verder sien ons ook uit vergelyking (2) dat hoe energiee van straling gepaard gaan met hoe frekwensiewaardes, dit wil se met kort golflengtes. Dit is daarom dat X-strale en y-strale so gevaarlik is, want hul hoe energiee kan groot skade aanrig aan lewende selle.

Laat ons nou weer teruggaan na die energiediagram van die atoom (Figuur 5). Ons het reeds gesien dat, in die normale of grondtoestand van die atoom, die elektrone hulself sal bevind in die laags moontlike energievlakke; en verder, dat die buite­elektrone in die skille van hoer energie geplaas is, waar die verskille in energie tussen naburige vlakke nie baie groot is nie. Dit behoort dus moontlik te wees om, deur byvoeging van energie tot die atoom, een of meer van die buite-elektrone (se in die N-skil) te promoveer na 'n energievlak van effe hoer energie (se die 0- of P-skil), of om dit selfs totaal te verwyder vanaf die atoom deur dit in die vlak n = 00 te plaas, wat die hoogs

15

moontlike energietoestand aandui. Al hierdie energievlakke moet desnoods leeg wees aangesien hulle almal buitekant die buite-elektrone (in die N-skil) is. Vir elke elektron wat gepromo­veer word in elke atoom, sal een kwantum van energie benodig word van 'n spesifieke waarde, wat ooreenstem met die verskil in energie tussen die eind- en beginvlakke. Na oorplasing sal die atoom egter nie meer in sy mees stabiele toestand wees nie, en sal die elektrone met vermeerderde energie weer neig om terug te gaan na die laer waardes wat beskikbaar is, in die geval met uitstraling van die ooreenstemmende kwanta van energie. Die Iorde-groottes van hierdie energiekwanta, wat natuurlik groot variasies sal toon tussen elemente en ook binne dieselfde atome, afhangende van watter spronge gemaak word, is oor die algemeen ooreenstemmend volgens vergelyking (2) met stralings in die sigbare gebied van die spektrum - daarom, byvoorbeeld, dat 'n vlam geeI word as mens gewone tdfelsout daarin gooi; die geel kleur is die stralingsenergie wat vrygestel word wanneer elektrone in die natrium terugkeer na die grondtoestand nadat hulle eers deur hitte-energie van die vlam gepromoveer was tot 'n hoer vlak.

Met die buite-elektrone van atome kan energieveranderings soos hierbo beskryf heel maklik teweeggebring en waargeneem word, en dit vorm die basis van atoomspektroskopie. Daar sal opgemerk word dat daar eintlik twee prosesse beskrywe was ­eerstens, die opname of absorpsie van energie om die elektrone te promoveer, en tweedens, die stralingsenergie wat weer uitgegee word by terugkeer na die grondtoestand. Heide hierdie prosesse, genoem absorpsiespektroskopie en emissiespektroskopie respek­tiewelik, kan gebruik word by analitiese bepalings.

Geskiedkundig bestaan die tegnieke van emissiespektroskopie baie langer as die van absorpsiespektroskopie, en ons sal dus eerste daarna kyk. Dit behoort reeds duidelik te wees dat die energiee wat uitgestraal word, presiese waardes sal he vir elke atoom van 'n gegewe element, want aIle atome van daardie element sal dieselfde moontlike energievlakke besit, waartussen spronge toelaatbaar is. Verder sal die moontlike energiewaardes en -verskille in 'n atoom varieer van element tot element, en elke stel stralingsenergiee wat uitgegee word, sal dus kenmerkend :Iwees van 'n spesifieke element. As die waardes hiervan presies vasgestel kan word, dan het ons mos 'n metode van kwalitatiewe bepaling van watter element(e) teenwoordig is.

Gewone wit lig bestaan uit lig van aIle sigbare kleure, dit wil se dit bestaan uit 'n mengsel van golwe van aIle moontlike

golflengtes, versprei oor die hele sigbare gebied van die elektro­magnetiese spektrum. Gevolglik, as 'n straal wit lig deur 'n prisma gestuur word, wat veroorsaak dat die pad van die straal in kleiner of groter mate, afhangende van die golflengte (of kleur) van die lig, gebreek word, dan ontstaan daar 'n kontinue spektrum soos die reenboog waarmee ons almal bekend is. As, instede van die wit lig, die straling vanaf opgewekte atome deur die prisma gestuur word, is die resultaat 'n lynspektrum, want ons het nou te doen met spesifieke energieveranderings wat ekwivalent is aan lyne van spesifieke golflengtes gegee deur vergelyking (2). Deur kalibrering kan die golflengtes van die lyne wat gevind is, bepaal word, en die waardes kan dan vergelyk word met die karakteristieke waardes wat vir aIle elemente bekend is om kwalitatief vas te stel watter element(e) teenwoordig is. Verder is kwantitatiewe metings nou ook moontlik, want die intensiteit van enige spesifieke lyn sal klaarblyklik afhang van die aantal kwanta van daardie energie wat die oog of die detektor bereik; die hang weer af van die aantal kwanta wat uitgegee word, wat dan op sy beurt weer eens direk proporsioneel is aan die aantal atome wat teenwoordig is by die opwekkingspunt en wat sulke kwanta kan uitstraal.

In beginsel is die emissiespektroskopiese metode dus redelik eenvoudig, en kan dit diagrammaties saamgevat word soos in Figuur 8. Daar moet 'n bron van energie wees om die elektrone in die atome op te wek na die nodige hoer energietoestande sodat straling daarna kan plaasvind. Die bron kan 'n eenvoudige vIam wees, soos met vlamfotometrie, of iets meer gesofistikeerd soos 'n elektriese vonk of boog. Die stralings wat van die bron af kom en deur die spleet gaan, moet dan gekollimeer word, en die verskillende energiee waaruit hierdie bundel bestaan,

fatagrafieseBran Plaat

FIGUUR 8. Skematiese diagram van 'n emissiespektrograa[

16 17

word opgebreek deur 'n prisma of rooster na individuele lig­bundels van eenderse golflengte. Die intensiteite van hierdie spesifieke strale kan dan bepaal word deur die graad van ver­donkering te meet wat elkeen na fokussering veroorsaak op 'n fotografiese plaat. Al hierdie dele kan saamgevat en opgebou word in 'n "black box" om ons dan 'n gesofistikeerde moderne spektrograaf te gee. Dit word 'n spektrograaf genoem wanneer die deteksie van die lyne fotografies gedoen word. Met 'n groot instrument, waar die lyne van belang redelik ver van mekaar versprei kan word, is dit egter ook moontlik om sensitiewe fotoselle te plaas op paslike plekke en sodoende die uitstralings van 'n hele aantal verskillende elemente gelyktydig elektries te bepaal en te evalueer. Dit gee ons die sogenaamde direklesende spektrometer. Gekoppel aan 'n klein rekenaar kan die lesings van so 'n spektrometer selfs vergelyk word met die van standaard­monsters, en kan die konsentrasies van aile elemente van belang dan sommer direk uitgetik word. Al wat nodig is na die aan­vanklike voorbereiding van die monster, is om die regte knoppe te druk!

Die karakteristieke absorpsie van energie deur die buite­elektrone tydens oorplasing na hoer energietoestande kan ook gebruik word as 'n metode van analise vir spesifieke elemente. Hierdie analitiese tegniek, wat bekend staan as atoomabsorpsie­spektroskopie, het maar bietjie meer as een dekade gelede ont­staan met die ontwikkelingswerk uitgevoer deur Walsh en sy medewerkers, maar dit het so gou posgevat en so dramaties vinnig uitgebrei, dat dit vandag seker een van die gewildste metodes van elementere analises is. Sowat 68 verskillende elemente kan tans deur middel van hierdie tegniek bepaal word, en dit word dan ook gebruik op aile gebiede van die wetenskap, vanaf biomedisyne tot geologie, metallurgie tot landboukunde, en nog veel meer - orals waar dit nodig is om vir spesifieke elemente, veral in klein hoeveelhede, te analiseer. Die rede vir die gewildheid is dat die metode baie spesifiek is, redelik vinnig en eenvoudig, en in baie gevalle uiters sensitief; boonop is die instrumentasie nog betreklik goedkoop in vergelyking met die meeste ander instrumentele metodes. Dit is, met ander woorde, 'n ideale metode vir roetinegebruik by spesiale doeleinde-analises.

Die beginsel van die metode kan kortliks gesien word in Figuur 9. Die bron in hierdie geval is die uitstraling vanaf op­gewekte atome van dieselfde element as waarvoor geanaliseer word. Dit is daarom dat hierdie metode so spesifiek is, want klaarblyklik sal hierdie strale net die regte energie bevat om

18

~ ~.*l"ttn~',j-~~, Koltimeer­ Elemente Foku~eer- (FotoseU . Lens in atomiese Lens

toestand

FIGUUR 9. Skematiese diagram van 'Il atoomabsorpsie-spektro!otometer.

opwekking te veroorsaak van elektrone wat in die grondtoestand voorkom in ander atome van dieselfde element (soos ons reeds aangedui het), terwyl dit oneffektief sal wees vir die opwekking van atome van ander elemente. Hierdie uitstraling word gekolli­meer en die intensiteit van een spesifieke spektrale lyn van die element word gemeet deur dit te fokusseer op 'n fotosel. Die grootte van die sein wat in die fotosel opgewek word, is pro­porsioneel aan die intensiteit van die lig wat daarop val, en sal dus konstant bly terwyl die uitstraling sonder versperring op die sel gerig word. As atome van die element wat in staat is om hierdie spesifieke energiekwanta te absorbeer, egter in die pad van die lig geplaas word, sal daar 'n vermindering van intensiteit plaasvind, wat klaarblyklik afhanklik sal wees van die aantal atome teenwoordig. Sodoende kan die konsentrasie van die element dus bepaal word in die onbekende monster, mits die massiewe monster self eers afgebreek kan word tot deeltjies wat klein genoeg is om nie terselfdertyd die intensiteit te laat verminder weens fisiese versperring van die lig nie. Vir die akkuraatste resultate moet daar eintlik slegs elektroniese absorpsie van die lig plaasvind; oor hierdie aspek sal later nog 'n paar woorde gese word.

Laat ons nou wegskuif van die buite-elektrone van die atoom, wat op beide emissie- en absorpsiewyses aanleiding gee tot analitiese metodes, en ons blik werp op die binne-elektrone.

Soos ons reeds gesien het, kom hulle voor in gevulde elek­tronskille. Hier wil ek graag weer eens beklemtoon dat ons nie te doen het met fisiese skille wat die elektrone wat binnekant hulle geplaas is, daar sal vaspen nie, maar dat die sogenaamde elektronskille slegs energievlakke van spesifieke waardes aandui, soos reeds afgebeeld in Figuur 5. Waar dit dus vir ons moontlik was om van die buite-elektrone te promoveer na 'n onbesette

19

hoer energievlak deur byvoeging van 'n klein hoeveelheid energie, behoort dit dan ook moontlik te wees om op soortgelyke wyse, maar weI met ietwat meer energie, 'n elektron vanaf, se, die gevulde K-skil te promoveer na 'n lee N-skil. Gestel verder dat die ander skille tussen die twee (naamlik die L- en M-skille) ook almal gevul is. Dan sou dit moontlik wees vir 'n elektron vanaf enige van hierdie skille, wat almal hoer energievlakke as die van die K-skil aandui, om spontaan oor te gaan na die lee holte wat agtergebly het in die K-skil; dit kan geskied of in een direkte sprong (byvoorbeeld L-+K, M-+K, N-+K), Of by wyse van 'n kaskade-effek (L-+K, M-+L, N-+M). By elke oorgang sal 'n kwantum van energie gelyk in waarde aan die verskil in energie tussen die betrokke twee vlakke vrygestel word; met ander woorde met baie sulke kwanta sal weer eens 'n karak­teristieke reeks stralings uitgegee word met spesifieke golflengtes gegee deur vergelyking (2). Daar is eintlik geen verskil tussen hierdie energieveranderings en die wat reeds bespreek is vir die buite-elektrone nie, behalwe dat die waardes van die energie waarmee gewerk word, veel groter is, en die karakteristieke stralings dus gevind sal word by 'n korter golflengte, naamlik in die X-straalgebied van die spektrum. Die algemene beginsels van spektroskopie soos reeds uiteengesit vir die sigbare gebied van die spektrum behoort dan ook van toepassing te wees vir analises uitgevoer met die binne-elektrone-eienskappe van die atoom, wat weI ook die geval is. Die vergroting in energie, van orde sowat duisend, bring baie veranderings in praktiese tegniek mee. So, byvoorbeeld, is die hoe energiee wat benodig is vir opwekking, geensins verkrygbaar met 'n vlam of elektriese boog nie, maar word dit verskaf deur bombardering van die monster Of deur 'n energieke elektronstraal Of deur ander X-strale van hoer energie as die wat opgewek moet word. In die X-straal­gebied is dit tans nog baie moeilik om akkurate metings van absorpsie te maak, en word die emissie vanaf die onbekende monster meestal bepaal. Hierdie emissie word fluoressensie genoem, na analogie van die soortgelyke verskynsel wat waar­geneem word wanneer sigbare lig van 'n laer energie uitgestraal word deur 'n stof wat bestraal word met lig van 'n hoer energie (soos byvoorbeeld ultravioletlig). Die karakteristieke fluoressente X-straallyne kan, soos in die geval van die sigbare lyne van gewone emissiespektroskopie, maar weI op ander wyse, weer eens uitgesorteer word volgens golflengte; die sal vasstel watter elemente teenwoordig is, en die intensiteit van elke karakteris­tieke lyn, wat ook weer elektries gemeet kan word, sal bepaal

hoeveeI van elke element daar is. Die metode van analise staan bekend as X-straalfluoressensie-analise, en dit word uitgevoer met 'n X-straalspektrofotometer.

Daar bly nog oor die kern van die atoom, en ons het reeds gese die kan ook gebruik word vir analitiese doeleindes. Maar, soos verwag sou word omdat die struktuur van die kern self heel anders is as die van die elektrone daar rondom, is die beginsel van die bepaling heel verskillend. Daar sal onthou word dat die kern bestaan uit positief-gelaaide protone, waarvan die aantal absoluut kenmerkend is van die element, en elektries neutrale neutrone. Gewoonlik is daar ongeveer 1 - It maal soveel neutrone as protone, en is dit moontlik vir die getal neutrone wat in 'n sekere element voorkom (dit wil se wat met 'n sekere aantal protone geassosieer is), om binne perke te varieer sonder dat die kern onstabiel raak. Dikwels egter, deur slegs een ekstra neutron by 'n stabiele kern te voeg, kan onstabi­liteit ontstaan. In die ergste gevalle sal die kern opbreek in 'n paar groterige fragmente met vrystelling van nog 'n paar neutrone, wat dan deur botsing met ander atome van die oorspronklike element (mits daar genoeg van hulle is) 'n kettingreaksie aan die gang sit. Aangesien 'n groot klomp energie ook vrygestel is by elke opsplitsing, sal die resultaat 'n geweldige ontploffing wees. Dit is inderdaad die beginsel waarop die atoombom werk. Gelukkig word daar egter by meeste atome slegs een of twee klein partikels vrygestel, soos 'n ander neutron, of 'n proton, of 'n a-partikel. Afhangende van watter reaksie plaasvind, kan die oorblywende kern of nog 'n kern wees van dieselfde element as waarmee begin was, of dit kan minder protone bevat as oorspronklik en dus 'n nuwe element wees. Die byvoeging van neutrone, wat self geen lading besit nie, by 'n stabiele kern, sal nie die totale lading op die kern verander nie, en die lading sal so onveranderd bly as 'n neutron weer uitgeskiet word; die atoomgetal, of aantal protone in die kern, wat karakteristiek is van die element self, bly dus onveranderd.

As daar egter 'n proton ontsnap, verminder die atoomgetal met een, en met twee as 'n a-partikel (wat self twee protone bevat) uitgeskiet word, om in albei gevalle ander elemente as produk oor te laat. Lood se atoomgetal is 82, en deur twee agtereenvolgende kernreaksies daarop uit te voer, waardeur 'n proton plus 'n a-partikel verloor word om 'n totale verlies in atoomgetal van 3 te gee, behoort ons te kry element 79 - goud! Teoreties het ons dus hier die verwesenliking van die alchemis se droom om lood om te skep tot goud, en dit kan in die praktyk

20 21

ook uitgevoer word met 'n klein mate van sukses. Gelukkig vir die ekonomie van Suid-Afrika is dit nog veel duurder en meer onekonomies om goud op die wyse te wil vervaardig as om dit maar te herwin uit die aarde!

am terug te keer tot die meer praktiese gebruike van kern­reaksies - hulle word normaalweg teweeggebring deur die monster te bomdardeer met 'n straal van partikels van hoe energie. Neutrone is die doeltreffendste, omdat hulle elektries neutraal is en dus nie afgestoot word wanneer hulle naby die kern met sy positiewe lading kom nie, soos weI sou gebeur met protone en ander positief-gelaaide deeltjies. As daar onthou word hoe klein die kern self is in vergelyking met die atoom as 'n geheel (sowat een-tienduisendste van die deursnit), sal daar gesien word dat kanse vir botsings relatief skraal is. 'n Sterk bron van neutrone, soos verkry in 'n kernreaktor of met 'n neutrongenerator (wat albei maar baie duur is), is dus nodig. Die kernreaksies wat weI plaasvind in die monster as gevolg van so 'n bombardering, hang af van watter elemente daar teen­woordig is. Benewens enige partikels wat weer afgegee mag word, raak die nuwe kernproduk wat gevorm is, gewoonlik ook ontslae van enige oormaat energie wat hulle nog besit as gevolg van die reaksie, deur 'n kwantum van energie af te gee wat karak­teristiek is van die oorspronklike element. Hierdie kwanta het baie hoe energiee, nog meer as X-strale, en kom voor as y-strale. Ander metodes van deteksie is dus weer eens nodig, maar kan deesdae betroubaar uitgevoer word met behulp van 'n foto­sensitiewe detektor en 'n multikanaal-gammaspektrometer. Hiermee kan die golflengtes (dit wil se energiee) van die verskil­lende strale vasgestel word, sowel as die intensiteit (of aantal kwanta) in elke spesifieke straal. Weer eens is dit ekwivalent aan 'n kwalitatiewe bepaling van watter elemente teenwoordig i~, en. 'n kw.antitati~~e bepaling van hulle hoevee1hede respek­tIewehk. Die anahtIese metode staan bekend as aktiverings­analise.

Die beginsels van die vier metodes van analise wat ons beskryf het, is redelik eenvoudig, en die ontwerp van geskikte instrumente het dit moontlik gemaak om tans selfs 'n ongeskoolde operateur betreklik vinnig op te lei om die regte knoppies te druk en antwoorde te verkry vir elementere analises. Dit blyk ?uS .dat die lang. o~leid!ng van chemici.nie regtig meer nodig IS me. Ongelukklg IS dmge seIde of Omt so eenvoudig in die werklikheid as wat hulle voorgestel kan word, soos ook hier die geval is. Ons het byvoorbeeld daarop gewys dat die konsen­

trasie van 'n element in enige van die vier bepalingsmetodes proporsioneel sou wees aan die intensiteit van 'n karakteristieke energiesein. Maar hoe akkuraat hierdie sein ook gemeet kan word (en dit is eintlik al wat gebeur as die knoppe op die instru­mente gedruk word), bly daar altyd die vraag oor of die antwoord wat verkry is, reg en betekenisvol is. Hierdie twyfel ontstaan as gevolg van newe-effekte wat hoofsaaklik chemies van aard is, en dit is by hierdie punte dat die kennis en vernuftigheid van die geskoolde persoon altyd benodig sal wees. Dit geld veral by die ontwikkeling van metodes vir die analise van nuwe onbekende monsters, want elke tipe monster stel in 'n kleiner of groter mate 'n nuwe probleem daar. Daar bestaan nie soiets soos 'n standaardmetode van analise wat in die algemeen gebruik kan word by enige van die instrumentele analitiese tegnieke nie. Slegs nadat 'n metode ontwikkel en deeglik uitgetoets is, kan dit oorhandig word vir roetinegebruik deur ongeskoolde persone, en selfs dan is die hulp en kennis van die chemikus nodig wan­neer afwykings en moeilikhede begin opduik, soos maar alte dikwels gebeur.

Daar is slegs tyd om 'n paar van die probleme te noem. Party is reeds so algemeen dat hul ondersoek amper as 'n roetine­prosedure beskou kan word by enige ontwikkelingswerk, terwyl ander nog vee1 fundamentele navorsingstyd in beslag neem.

Die grootste enkele probleem waarmee die chemikus te doen het, is die sogenaamde matryseffekte, wat in verskillende gedaantes voorkom. By beide emissie- en absorpsiespektroskopie byvoorbeeld, het ons daarop gewys dat die bepalingsmetodes berus op die meting van energieveranderings van die buite­elektrone; maar ons het ook gese dat dit juis hierdie elektrone is wat deelneem aan die vorming van bindings tussen atome. Dit kan dus verwag word dat die vorm en verbindings waarin enige element voorkom in 'n onbekende monster, 'n invloed sal he op die lesings wat waargeneem word vir daardie element. Hierdie matryseffek kan soms geweldig groot wees, en kan maklik lei tot afwykings in die resultate van 100% en meer vanaf die regte antwoord. Veral by monsters van totaal onbekende samestelling kan dit nooit gei'gnoreer word nie, en moet daar altyd eers getoets word vir die invloed van ander elemente wat moontlik teen­woordig mag wees, en daarna moet daar op een of ander wyse geprobeer word om te kompenseer vir die storende invloede.

Matryseffekte is ook teenwoordig by X-straalfluoressensie­bepalings, hoeweI mens hier te doen het met die binne-elektrone wat nie deelneem aan bindingsvorming nie. Die invloed van

2322

ander elemente is dus nie so direk te wyte aan die verbindings waarin die gespesifiseerde elemente voorkom nie, as aan die fisiese teenwoordigheid van die ander elemente. Dit kan wees as gevolg van oorvleueling wat plaasvind tussen X-strale af­komstig vanaf die onsuiwerhede en die karakteristieke lyne wat gebruik sou word by die bepaling (ons het reeds gese dat daar eintlik baie meer energievlakke en -verskille moontlik is as wat getoon is in die eenvoudige energiediagram). VerdeI' is dit ook moontlik dat die fluoressente lyne wat deur een element afgegee word, weer binne die monster self geabsorbeer word deur 'n ander element, wat sal lei tot verlaging in die lesing vir die eerste element en verhoging vir die tweede; waar die relatiewe samestelling van die twee elemente op onbekende wyse grootliks kan varieer, kan die effek van groot belang wees.

Laastens word matryseffekte ook gevind by aktiverings­analise, en weer eens is die invloed van 'n ander vorm. Aile atome ondergaan nie ewe maklik kernreaksies tydens bombar­dering nie, en party gee ook baie meer aktiewe produkte af as andere. In so 'n geval kan 'n ongewenste produk se y-uitstraling die strale van belang of totaal bedek Of in so 'n mate uitwis dat hulle nie meer akkuraat bepaalbaar is nie. Dit is ook moontlik dat dieselfde produkelement (dit is die een wat gebri.Jik moet word om die metings te maak) gevorm kan word vanaf verskil­lende beginelemente. (dit wil se die wat bepaal moet word), soos gebeur tydens die reaktorneutronbestraling van magnesium aluminium en silikon. Waar hierdie twee probleme voorkom' word tans baie gewerk met rekenaars om die resultate waf verkry is met die gammaspektrometer te ontleed en om te sit na persentasies van oorspronklike element. Weer eens is dit 'n baie duur byvoeging tot 'n alreeds besondeI' duur tegniek.

Benewens die matrysprobleme, en deels as gevolg van die verbindi.ngs wat teenwoordig is of gevorm ka~ word, speel die opwekkmgsmetode en -temperatuur 'n taamhke groot 1'01 by emissie- en absorpsiespektroskopie. By eersgenoemde was daar al lank gebruik gemaak meestal van 'n elektriese boog of vonk om die monster te atomiseer, maar onlangs word daar baie gewerk met laserstrale vir die doeleindes. Dit kan betel' gekon­troleer word en meer spesifiek op 'n klein deel van 'n monster gerig word, en waarskynlik kan dit lei tot grater stabiliteit in die lesings, wat 'n groot voordeel sal wees beide by roetine­gebruik en veral by outomatisering. By atoomabsorpsie moet daar weer eens sorg gedra word dat die monster onder bepaling geensins in 'n massiewe vorm in die pad van die ligstraal geplaas

24

word nie; so iets sal deur afskaduwingseffekte lei tot 'n valse vermindering van intensiteit van die Iigbron, wat eintlik behoort af te neem alleenlik as gevolg van energieabsorpsie deur die regte atome. Die mees algemene metode om die monster in 'n atomiese toestand in die ligpad te bring, verg dat die monster eel'S in oplossing opgeneem moet word. Daarna kan die oplossing verstuif word met 'n pneumatiese newelaar (dieselfde beginsel as by die aerosolkanne wat so grootliks voorkom in ons heden­daagse lewe I), en die mis kan gevoer word na 'n vlam wat in die ligpad geplaas is en wat die oplosmiddel sal laat afdamp om klein deeltjies monster 001' te laat. Hierdie hele proses laat nog veel te wense 001'. Die druppels vanaf die pneumatiese newelaar is meestal nog te groot en varieer ook baie in grootte; daarom word daar deesdae baie gewerk aan ultrasoniese metodes van verstuiwing. Die vlam is self 'n baie komplekse sisteem, waarvan nog betreklik min kennis ingewin is; daarom word daar ge­eksperimenteer met elektriese metodes van verhitting, terwyl West en sy medewerkers in Londen interessante navorsing doen waarby hulle die buite-brandingsone van die vlam of oplig met 'n afskermende kwartsbuis of afskerm met inerte stikstof- of argongasse. Sodoende bly daar baie mindel' storende effekte 001'

in die deel van die vIam waarin die monster nou afgedamp en gemeet word. Daar bly egter nog baie komplekse wisselwerkings 001' van al die druppels wat met mekaar bots in die vlam; van hierdie prosesse bestaan tans feitlik geen kennis nie, maar Malm­stadt en medewerkers in Illinois het 'n apparaat ontwikkel waarmee hulle enkel druppels in die vlam kan instoot. Hiermee kan hulle die verdamping en ander reaksies van die druppel en sy inhoud bestudeer in die verskillende vlamsones, en later sal die werk uitgebrei word sodat twee of meer druppels in die vlam gelyktydig ingevoer word op so 'n wyse dat hulle met mekaar bots. So 'n studieprogram lyk baie belowend vir die betel' begrip van wat alles in die vlam gebeur wanneer die verstuifde monster daarin geplaas word. Laastens word daar ook gepoog om maniere te ontwerp waardeur die vaste stof sondeI' voorafoplossing direk geatomiseer en in die ligpad geplaas kan word, en 'n mate van sukses is behaal deur weer eens laserbestraling te gebruik. Veel werk moet egter nog in die rigting uitgevoer word voordat die metode as standaard beskou kan word.

Ons het die eenvoudige atoom geneem, en getoon hoedat vier instrumentele metodes van analise reeds ontwikkel is deur gebruik te maak van fisiese eienskappe van verskillende dele van die atoom. Die storie hou nie eel'S daar op nie, want verdere

25

ontwikkelings van ander eksotiese metodes vind nog steeds plaas. Ons kan twee hier vlugtig noem - die een omdat dit waarskynlik binnekort net so bekend sal wees as die wat ons reeds beskryf het, en die ander omdat baie pionierswerk hier in ons eie land daaraan bestee word. Die eerste is atoomfluores­sensie-spektroskopie, wat gebruik maak van die feit dat, nadat atome energie opgeneem het vanaf die ligbron wat gebruik is by atoomabsorpsie-spektroskopie, hierdie energie weer uitgestraal moet word as fluoressente strale; die is, soos altyd, kwalitatief karakteristiek van die element, en kwantitatiewe bepalings van die intensiteit sal konsentrasies kan aandui. Die tweede metode berus op die verstrooiing van protone of ander positief-gelaaide partikels weens afstoting deur die positiewe kerne van atome ­dieselfde verstrooiing wat Rutherford gelei het tot ons moderne konsep van atoomstruktuur. Dr. Peisach en medewerkers by die Suidelike Universiteite se Kerninstituut te Faure in die Kaap doen tans ontwikkelingswerk op hierdie gebied, en hulle het reeds dun oppervlaklae op hierdie elegente wyse met redelike sukses kon analiseer.

Dit is belangrik om te onthou dat die fisiese eienskappe van die atoom, waarvan ons gebruik gymaak het, nie maar nou eers onlangs bekend geword het nie. Die teenwoordigheid van die element helium in die samestelling van die son is byvoorbeeld al 'n eeu gelede met optiese spektroskopiese metodes vasgestel, nog lank voordat dit op aarde ontdek is; X-strale word al vir halfeeu gebruik by mediese ondersoeke; en die eerste atoom­bomme, wat gebaseer is op kernreaksies, het al 'n kwarteeu gelede oor Hiroshima en Nagasaki ontplof. Tog het die gebruik van hierdie eienskappe as die basis van instrumentele analitiese metodes maar slegs oor bietjie meer as die afgelope dekade op groot skaal toegeneem - dit wil se binne dieselfde tydsbestek as die groot ruimtenavorsing- en maanreisprogramme. Hierin Ie dan ook waarskynlik die rede vir die grootskaalse antwerp van analitiese "black boxes", want dit vorm alles deel van die geweldige tegnologiese rewolusie wat tans in die wereld plaasvind. Veral die oorweldigende vooruitgang op die elektroniese gebied is van besondere belang, want die een gemeenskaplike faktor wat al ons analitiese metodes besit, is dat 'n fisiese eienskap geneem kan word en op een of ander wyse omgeskep kan word in 'n elektriese sein. Ons het ook maar slegs na die atoom gekyk, maar daar is nog talle molekulere eienskappe wat ook soortgelyk omgesit kan word in elektriese seine. Sodra dit gedoen kan word, is dit nou moontlik om 'n "black box" te ontwerp waarmee

26

analitiese metings uitgevoer kan word deur net 'n knop of twee te druk. As die chemikus sy ontwikkelingswerk goed uitgevoer het, dan gaan hierdie knopdrukproses selfs die volledige antwoord gee, in watter vorm dit ook al verlang word. Andersins kan die sein gevoer word na 'n registreerder om een of ander indus­triele proses kontinueerlik te moniteer - 'n groot stap vooruit vanaf die ou dae toe 'n hele aantal chemici deurentyds lotmon­sters so vinnig moontlik moes analiseer volgens konvensionele metodes. So 'n monitor, wat berus op atoomabsorpsiebepalings, is opgebou deur die personeel van die Corner House Laboratories, en is al vir geruime tyd in gebruik by die Durban Deep-myn om die goud in gestroopte oplossings te bepaal en sodoende verliese weens onvoldoende ekstraksie te verhoed. Dit was so suksesvol gewees dat hulle tans besig is om ander soortgelyke instrumente te bou vir gebruik by ander myne. Verder kan daar selfs volledige outomatisering van 'n proses verkry word deur die seine vanaf die monitors, met detektors geplaas op 'n paar verskillende plekke, by 'n rekenaar in te voer wat sal besluit waar veranderings in toestande benodig word en dan kontrole sal uitoefen deur die nodige kleppe oop en toe te maak. So 'n kontrolestelsel, wat X-straalfluoressensiemetings as die basis het, is 'n paar jaar gelede ge'installeer by die kopermyn te Phalaborwa; dit was blykbaar nie te suksesvol hier nie, hoofsaaklik egter weens blote tegniese probleme, want soortgelyke sisteme werk weI elders in die wereld.

Dames en here, ek vertrou dat ek met hierdie lesing vir u 'n redelike oorsig gegee het oor die rol van instrumentasie in die hedendaagse Chemie, in besonder oor die tegniese aspekte van die ontstaan en gebruik van instrumentasie, want hoofsaaklik was ons besig om die eerste twee van die vier vrae wat vroeg in die lesing gestel was, te beantwoord. Voordat ek afsluit, wil ek darem kortliks ook die laaste twee vrae probeer beantwoord, want hiermee gepaard gaan die belangrikheid van die rol van instrumentasie.

Dit moet baie klaarblyklik wees dat analitiese en ander chemiese instrumente nie een goedkoop sal wees nie, en party baie duur, afhangende van die graad van sofistikasie. Die vraag is dan ook vroeer gestel: Is dit die groot onkoste werd? Ek moet dit eintlik uit twee verskillende oogpunte beantwoord. Ten eerste: uit die oogpunt van die industrie, waar die instru­mente eintlik hul grootskaalse gebruik sal vind, is die koste bereken in terme van rand en sent per bepaling eintlik nie hoog waar 'n groot aantal herhaalde roetinebepalings uitgevoer word

27

nie. Groot getalle ervare chemici, soos benodig sou word om al die no.dige analises uit te voer, is vandag feitlik onverkrygbaar, en met Instrumente kan daar nie aIleen met mindel' personeel gewerk word nie, maar sommige van hulle hoef maar 'n minimale opleiding te he. Slegs wanneer die instrumente maar vir 'n paar analises, en. nie op 'n voltydse basis nie, gebruik word, kan die koste werkhk as hoog beskou word. Ongelukkig val universiteite grotendeels onder hierdie klassifikasie, en 'n goeie saak sou daarvoor uitgemaak kon word dat ons nie werklik die duur instrumente nodig het nie. Terselfdertyd is een van die groot take van 'n universiteit egter die van opleiding, en die punt is reeds gestel dat dit noodsaaklik is om 'n goed-opgeleide persoon uiteindelik in beheel' te he van 'n instrument om metodes te ontwikkel en probleme op te los. Die universiteit se posisie is nog verdeI' bemoeilik deurdat studente eintlik kennis behoort te maak met soveel tipes van instrumente as moontlik sodat hulle beide die voor- en nadele van verskillende metodes teenoor mekaar kan opweeg en sodoende hul latere werkgewers behulp­saam kan wees. Waar'n industrie dus slegs een of twee soorte instrumente sal benodig vir hul spesifieke bepalings behoort die universiteit na regte 'n groot verskeidenheid aa~ te skaf. Maar selfs om net vir opleidingsdoeleindes die instrumente te kry . wat .die meeste g~bruik word, verg 'n ontsettende groot kapltaalmtgawe, om me nog te praat van instrumente vir na­vorsing nie; en die opbrengs op hierdie kapitaal bly relatief klein en die koste hoog. Waarskynlik omdat ons nuut is was ons gelukkig hier by ~ie ~.A. U. om heelwat apparaat as skenkings te ontvang, en ons IS bale dankbaar daarvoor. Maar ek wil 'n ernstige beroep doen op aIle dele van die nywerheidsektor om sterk oorweging te gee aan die skenking van instrumente aan universiteitsdepartemente - veral van instrumente wat gebruik word binne hul eie laboratoria en inrigtings. Met die uitermate vinnige uitbreiding in die gebruik van instrumentasie het dit amper al gewoonte geword dat 'n persoon opgelei word waar hy werksaam is in die gebruik van 'n spesifieke soort instrument. Die I?raktyk is juis groo~liks te wyte aan die vinnige ontwikkeling van mstrumente wat me eel'S bestaan het toe meeste van die werknemers op universiteit was nie. Die stadium is egter nou bereik waar dit slegs tot voordeel van firmas kan wees om persone aan te stel wat reeds kennis dra van die instrumente wat by hulle .is, en wat moontlik meer deeglik opgelei is in die regte gebrmk daarvan as wat hulle op hul eie sou wees. Maar hiervoor is geld en instrumente nodig, en as ons dit nie van buite kry nie,

28

meneer die Rektor, dan sal daar 'n baie swaar las geplaas word op die Universiteit se beursie as ons ons pligte moet nakom.

Mv studente sal in hierdie stadium vra: As dit is wat ons behoort te leer, waarom doen ons nog soveel outydse analises? Ek wil net se dat 'n mens moet leer om te kruip voordat hy loop, en loop voordat hy hardloop; en die basiese chemiese kennis en behendigheid wat opgedoen word in ons vroee praktika, is wat die wesentlike verskil uitmaak t~ssen die operateur, wat bloot net die knoppe druk, en die chemlkus, wat later analitiese metodes kan ontwikkel en probleme kan oplos.

Ons kom nou tot die beantwoording van die laaste vraag wat vroeer gestel is: Is die tydsbesparing wat die "black box" meegebring het, werklik vir ons van soveel belang? Weer eens hang die antwoord op die vraag af van die oogpunt van waaruit dit beskou word. Bloot vanuit 'n tegniese oogpunt kan daar 'n baie goeie saak uitgemaak word vir vinniger en meer analises, want in baie gevalle is dit nie aIleen 'n kwessie van tydsbesparing nie, maar die hele sukses van 'n industriele proses kan dalk afhang van vinnige terugvoer van informasie. In ander gevalle, hoewel 'n proses wei sou werk selfs al was die analises volgens konvensionele metodes uitgevoer, word die algemene doel­treffendheid daarvan aansienlik verbeter. Die moniteer van goud om te verhoed dat daar van die metaal verlore gaan weens onvoldoende ekstraksie, is reeds gemeld. By een van ons land se ander groot nywerhede, die staalindustrie, laat vinnige spektro­grafiese analises toe dat die samestelling van die mengsel veeI vroeer gekorrigeer kan word terwyl die gesmelte metaal nog in die oonde is; en by Yskor word die aanwesigheid van spore van suurstof in die eindproduk tans met behulp van aktiverings­analise vinnig en akkuraat bepaal op dele-per-miljoen vlakke waar dit voorheen 'n taamlik langdradige proses was. Al hierdie tydsbesparings en groter doeltreffendhede in die industrie beteken natuurlik geld, en ook groot geld daarby. Die instrumente toon hier 'n wins, nie 'n verlies nie, andel'S is hulle uit - en daar het ons ons ekonomiese antwoord op ons vraag. Maar om die saak ook net enigsins filosofies te beskou: is al hierdie tyds­besparings nie maar net nog 'n manifestasie van die uiterse gejaagdheid wat op aile gebiede van ons hedendaagse lewe bestaan nie? Of hierdie gejaagde pas ons enigsins meer geluk en plesier meebring as voorheen, is ek nie bereid om hier te beantwoord nie. Maar ek wil net afsluit deur te se dat, by ons chemici altans, daar miskien meer as 'n greintjie waarheid skuil in die gedagte wat uitgespreek word deur een van die ou garde

29

in die bekende spotprent wat 'n paar jaar gelede in die Engelse tydskrif "Punch" verskyn het (Figuur 10). . Dit het gewoonte geword om aan die einde 'n paar woorde

van dank uit te spreek, en ek wil myself graag vereenselwig met hierdie gewoonte.

.. Y'Anow what I miss, though?-that good old pouring stuff from one test tube into another."

FIGUUR 10. Spotprent uit "Punch".

30

Ten eerste my innige dank aan my ouers, sonder wie se liefde en opoffering om vir my 'n goeie opvoeding te besorg, ek nie vanaand hier sou gestaan het nie; en ook aan my eggenote, wat my so getrou bygestaan het op die pad wat deur lig en deur donker dae uiteindelik hierheen gelei het.

Meneer die Rektor en Vise-kanselier, ek wil U, en deur U ook die Raad, bedank vir die vertroue wat U in my gestel het toe hierdie leerstoel my aangebied is. Dit was vir my 'n baie moeilike besluit om 'n pos te verlaat waar ek uiters gelukkig was om weer eens die onbekende in te vaar. U leierskap en entoesiasme het egter reeds geblyk uit ons eerste ontmoeting, en het daarop gewys dat die opbou van hierdie Universiteit iets groots en opreg sou wees waaraan dit 'n voorreg sou wees om deel te neem. My twee jare hier het slegs hierdie indruk meer bevestig. U stel aan u personeel so 'n voorbeeld van ywer en van kameraadskap dat dit nie anders kan as om ons almal aan te steek nie, en dit is vir my 'n voorreg om onder u te kan dien. Ek vertrou dat ek nie in my taak sal teleurstel nie.

Geagte kollegas, ek is met vriendelikheid en vriendskap ontvang deur u almal toe ek my eerste Senaatsvergadering byge­woon het, nog voor ek amptelik in diens getree het. Sedertdien het ek nog nooit iets anders as dit en die uiterste behulpsaamheid hier op die kampus ondervind nie, en dit is vir my 'n plesier om in die span saam met u te kan trek.

'n Spesiale woord van dank aan my kollegas professor Arndt, dr. Van Berge en mnr. Bezuidenhout, wat reeds die Chernie­departement uitgemaak het by my aanstelling, en ook aan ons jonger nuwelinge, dr. Kruger en mnr. Prins/oo. Ons het saam geswoeg om die laboratoria en kursusse aan die gang te kry, en professor Arndt se leierskap was 'n inspirasie vir ons almal. Onder hom het daar 'n gees van samewerking en vriendskap ontstaan wat ek meen slegs geewenaar word in ander departemente aan ons eie Universiteit en wat beny word deur die Chemie­departemente van sommige van ons susteruniversiteite. Ek hoop dat hierdie mooi gees nooit uit ons departement sal verdwyn nie.

Dames en here studente, ons is almal saam pioniers by die opbou van hierdie Universiteit, en sulke pionierswerk is op­windend en uitdagend. Soos julie self egter ook al ondervind het, kan dit soms ook frustrerend wees, veral by die opbou van 'n praktiese wetenskaplike departement waar daar eintlik nie genoeg hande is om aile voorbereiding vroegtydig klaar te kry nie. Nogtans is dit vir my 'n voorreg en 'n plesier om julie te

31

kan lei na die blootlegging van party van die geheime van die natuur. Ek dank julIe vir julIe geduld, en vertrou dat julIe verder saam met my sal wandel verby die klipperige grondbeginsels van die Chemie na daardie Utopia waar ons net die knoppie hoef te druk en dan op ons gemak kan terugsit.

Ek dank u almal vir u aandag.