PEPERIKSAAN IJAZAH SARJANA MUDA SAINS
EXAMINATION FOR THE DEGREE OF BACHELOR OF SCIENCE
SESI AKADEMIK 2018/2019 : SEMESTER I ACADEMIC SESSION 2018/2019 : SEMESTER I
SCES3314/SID3010 : Kimia Bahan / Materials Chemistry
Jan 2019 Masa : 2 Jam
Jan 2019 Time : 2 Hours
ARAHAN KEPADA CALON : INSTRUCTIONS TO CANDIDATES :
Kertas soalan ini mengandungi dua bahagian, Bahagian A dan Bahagian B.
This paper contains two sections, Section A and Section B.
Jawab kedua-dua bahagian mengikut arahan yang diberi di bawah setiap bahagian.
Answer both sections according to the instructions given in each section.
(Kertas soalan ini mengandungi 5 soalan dalam 9 halaman yang dicetak) (This question paper consists of 5 questions in 9 printed pages)
2/9 BAHAGIAN A (50 MARKAH)
SECTION A (50 MARKS)
Jawab SEMUA soalan.
Answer ALL questions.
1. Maklumat seperti struktur, faktor pembungkusan, dan ketumpatan sesuatu bahan kristal boleh diperolehi daripada sel unit bahan tersebut.
Information such as structure, packing factor, and density of a crystalline material can be obtained from the unit cell of the material.
(a) Buktikan bahawa faktor pembungkusan atom (APF) bagi struktur kristal kubik berpusat muka (FCC) adalah lebih besar daripada struktur kristal kubik berpusat badan (BCC). Tunjukkan jalan-kerja terperinci dalam jawapan anda.
Prove that atomic packing factor (APF) of face-centered cubic (FCC) crystal structure is greater than body-centered cubic (BCC) crystal structure. Include detailed workings in your answer.
(10 markah/marks)
(b) Tembaga, Cu dan besi, Fe masing-masing mempunyai struktur kristal FCC dan BCC. Jika jejari atom Cu ialah 1.28 x 10-10 m, dan jejari atom Fe ialah 1.24 x 10-10 m, tentukan logam manakah yang mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi. Tunjukkan semua jalan-kerja yang terlibat dalam pengiraan ketumpatan kedua-dua logam.
[Pemalar Avogadro, NA = 6.02 x 1023 mol-1; Jisim atom Cu = 63.5 gmol-1; Fe = 56 gmol-1]
Copper, Cu and iron, Fe metals have FCC and BCC crystal structure, respectively.
If the atomic radius of Cu is 1.28 x 10-10 m, and atomic radius of Fe is 1.24 x 10-10 m, find out which of the metal has higher density. Include all the workings involved in obtaining the density of both metals.
[Avogadro constant, NA = 6.02 x 1023 mol-1; Atomic mass Cu = 63.5 gmol-1; Fe = 56 gmol-1]
(10 markah/marks)
(c) Pada suhu yang tinggi, kecacatan struktur kristal menjadi lebih ketara.
Sebanyak 5% daripada jumlah tapak atom di Bahan X menjadi kosong pada suhu y oC. Kirakan suhu y sekiranya tenaga yang diperlukan untuk pembentukan kekosongan adalah 0.6 eV / atom.
[Pemalar Boltzmann, k = 8.62 x 10-5 eV / K]
At elevated temperature, defect in crystalline structure becomes apparent. Given 5% of the total atomic site in Material X becomes vacant at temperature y oC. If the energy needed for vacant formation is 0.6 eV/atom, find out what is y.
[Boltzmann’s constant, k = 8.62 x 10-5 eV/K]
(5 markah/marks)
3/9 2. Sifat Logam X diberikan di dalam jadual di bawah. Didapati bahawa apabila Logam
X dan Logam Y digabungkan bersama, produk yang terhasil adalah aloi binari dengan dua larutan pepejal pada julat suhu tertentu. Namun, apabila Logam X dicampurkan dengan Logam Z, produknya ialah aloi dengan hanya satu larutan pepejal pada semua komposisi.
Properties of Metal X are given in the table below. It was found that when Metal X and Metal Y were blended together, the product is a binary alloy with two solid solutions at certain temperature range. However, when Metal X was blended with Metal Z, it forms alloy with only one solid solution at all composition.
Sifat Properties
Logam X Metal X
Logam Y Metal Y
Logam Z Metal Z Struktur kristal
Crystal structure FCC
Jejari atom / pm
Atomic radius / pm 120
Elektronegativiti (Pauling)
Electronegativity (Pauling) 2.0 Valensi
Valences +2
(a) Jangkakan sifat Logam Y dan Logam Z. Anda dikehendaki menyalin jadual di atas ke dalam skrip jawapan anda dan lengkapkan slot yang kosong.
Predict the properties of Metal Y and Metal Z. You are required to copy the table above in your answer script and complete the empty slots.
(8 markah/marks)
(b) Lakar dan label gambar rajah fasa bagi aloi binari X-Y dan aloi binari X-Z.
Lakarkan kedua-dua gambar rajah fasa secara berasingan.
Sketch and label phase diagram of the binary alloy X-Y and binary alloy X-Z.
Sketch the two phase diagrams separately.
(8 markah/marks)
(c) Aloi X-Y dihasilkan daripada gabungan 12 g Logam X dan 8 g Logam Y.
Diberi jisim atom X ialah 24 g mol-1 dan jisim atom Y ialah 40 g mol-1. Nyatakan komposisi aloi dalam:
(i) berat % (ii) atom %
(iii) kepekatan X dan Y dalam unit kg m-3
[Ketumpatan X = 8.8 g cm-3 ; Ketumpatan Y = 8.2 g cm-3]
4/9 Alloy X-Y is made by blending 12 g of Metal X and 8 g of Metal Y. Given the atomic mass of X is 24 g mol-1 and Y is 40 g mol-1. Express the composition of the alloy in:
(i) weight % (ii) atom %
(iii) concentration of X and Y in kg m-3
[Density of X = 8.8 g cm-3 ; Density of Y = 8.2 g cm-3]
(9 markah/marks)
BAHAGIAN B (50 MARKAH) SECTION B (50 MARKS)
Jawab semua soalan. Jadual tenaga pengikat elektron diberi di dalam apendiks.
Answer all questions. Table of electron binding energies is given in the appendix.
3. FESEM dan AES banyak digunakan dalam kajian topografi dan komposisi unsur.
FESEM and AES are very useful in topography and elemental composition studies, respectively.
(a) Pengenalpastian kimia menggunakan AES dilakukan dengan menentukan tenaga kinetik elektron yang terhasil daripada peralihan Auger.
Chemical identification using AES is done by determining the kinetic energy of electron emitted during an Auger transition.
(i) Terangkan tatanama bagi proses Auger KL2M1. Describe the nomenclature of Auger process KL2M1.
(3 markah/mark)
(ii) Hitung tenaga kinetik elektron Auger dari proses KL2M1 bagi suatu atom dengan nombor proton 24. Anggap bahawa fungsi kerja dan perubahan tenaga pengikat semasa peralihan Auger boleh diabaikan.
Calculate the kinetic energy of Auger electron from KL2M1 process of an atom with proton number 24. Assume that the work function and change in binding energy during the Auger transition is negligible.
(2 markah/marks)
5/9 (iii) Kirakan tenaga kinetik elektron Auger untuk proses yang sama
seperti dalam 3(a)(ii) jika perubahan dalam tenaga pengikat semasa peralihan Auger tidak diabaikan.
Calculate the kinetic energy of Auger electron for the same process as in 3(a)(ii) if the change in binding energy during the Auger transition is not omitted.
(5 markah/marks)
(iv) Jelaskan sama ada berkemungkinan bagi Zn mengalami peralihan Auger M1L1L2 dalam keadaan normal. Tunjukkan semua jalan-kerja dan pengiraan yang berkaitan untuk menyokong penjelasan anda.
Explain if it is possible for Zn to experience Auger transition M1L1L2 under normal circumstances. Include all related workings and calculations to support your explanation.
(5 markah/marks)
(b) Rajah di bawah menunjukkan imej yang ditangkap menggunakan FESEM.
Imej di sebelah kiri mempunyai kualiti yang rendah, sementara yang di sebelah kanan adalah imej dari sampel yang sama tetapi mempunyai kualiti yang lebih baik.
Diagram below shows images captured using a FESEM. Image on the left is of poor quality, while the one on the right is the image of the same sample but of better quality.
(i) Kenal pasti dan jelaskan apa yang mungkin menyebabkan kualiti imej (kiri) rendah.
Identify and explain what could possibly be the reason for the poor quality image (left).
(3 markah/ marks)
6/9 (ii) Cadang satu rawatan/penyediaan sampel yang mungkin telah
dilakukan untuk mencapai kualiti imej di sebelah kanan.
Suggest one possible sample treatment/preparation that has been carried out to achieve the quality of the image on the right.
(2 markah/marks)
4. Hukum Bragg boleh ditulis dalam bentuk persamaan matematik yang menerangkan sudut serakan koheren dan tak-koheren dari kekisi kristal dan ia biasa digunakan dalam XRD.
Bragg’s law can be written as a mathematical equation that describes the angles for coherent and incoherent scattering from a crystal lattice and it is commonly used in XRD.
(a) Terbitkan hukum Bragg. Lakar rajah yang berkenaan dan sertakan semua jalan-kerja yang berkaitan dalam derivasi anda.
Derive Bragg’s law. Draw relevant figures and show all related workings in your derivation.
(8 markah/marks)
(b) Gunakan hukum Bragg yang telah anda dapatkan dalam 4(a) untuk selesaikan perkara berikut:
Using the Bragg’s law that you have derived in (a), solve the followings:
(i) Tentukan sudut di mana sinar-X dengan panjang gelombang 0.5 Å dipantul dari permukaan kristal NaCl dengan jarak antara planar, d = 2.915 Å
Determine the angle at which X-ray beam of wavelength 0.5 Å reflected from the surface of NaCl crystal with interplanar spacing, d = 2.915 Å.
(3 markah/marks)
(ii) Tentukan panjang gelombang sinar-X yang dibiaskan dari permukaan kristal dengan jarak antara planar, d= 2.814 Å. Sudut datang sinar-X dan kristal adalah pada 10o.
Determine the wavelength of X-ray beam diffracted from the surface of a crystal with interplanar spacing, d= 2.814 Å. Given the angle of incident X- ray to the crystal is at 10o.
(3 markah/marks)
7/9 5. TGA dan DSC adalah dua teknik analisis termal utama yang digunakan dalam
pencirian bahan dan tindak-balas kimia.
TGA and DSC are two main thermal analytical techniques used in characterization of materials and chemical reactions.
(a) Tindak-balas berikut dianalisis melalui termogravimetri pada suhu bilik dalam mod isoterma.
The following reactions were analyzed via thermogravimetry at room temperature in isothermal mode.
Tindak-balas 1/ Reaction 1: Zn + 2HCl ZnCl2 + H2
Tindak-balas 2/ Reaction 2: 2NaNO3 + K2SO4 2KNO3 + Na2SO4
Tindak-balas 3/ Reaction 3: MgCO3 + 2HCl MgCl2 + H2O + CO2
(i) Antara tindak balas yang diberi, yang manakah tidak dapat dikesan melalui termogravimetri? Terangkan jawapan anda.
Which of the reaction(s) above could not be detected via thermogravimetry?
Explain your answer.
(2 markah/marks)
(ii) Jelaskan tindak-balas manakah yang boleh dikesan melalui termogravimetri dan hitung perubahan % jisim yang dijangkakan bagi tindak-balas tersebut.
[Jisim atom bagi H = 1 ; C = 12 ; N= 14 ; O =16 ; Na = 23 ; Mg = 24 ; Zn = 30 ; S = 32 ; Cl = 35.5 ; K = 39]
Explain which reaction(s) can be detected via thermogravimetry, and calculate the expected mass % change for those reaction(s).
[Atomic mass of H = 1 ; C = 12 ; N= 14 ; O =16 ; Na = 23 ; Mg = 24 ; Zn = 30 ; S = 32 ; Cl = 35.5 ; K = 39]
(8 markah/marks)
(b) Beberapa proses yang sering dikaji menggunakan DSC adalah proses lebur, penghabluran dan peralihan kaca. Terangkan bagaimana untuk membezakan ketiga-tiga peralihan tersebut dalam termogram DSC.
Berikan lakaran termogram DSC sebagai sebahagian daripada penjelasan anda.
Some of the processes that are commonly studied using DSC are melting, crystallization and glass transition of materials. Explain how to differentiate the three transitions in a DSC thermogram. Include sketches of DSC thermogram as part of your explanation.
(6 markah/marks)
8/9 APENDIKS - Jadual tenaga pengikat elektron
APPENDIX – Table of electron binding energies
9/9 TAMAT
END
10/9
