home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / anarchy / essays / schoolsucks / water.txt < prev    next >
Text File  |  1996-04-27  |  14KB  |  266 lines

  1. The Chemistry of Natural Water
  2.  
  3. INTRODUCTION
  4.  
  5. The purpose of this experiment is to explore the hardness of the water on campus. Hard water has been a 
  6. problem for hundreds of years.  One of the earliest references to the hardness or softness of water is in 
  7. Hippocrates discourse on water quality in Fifth century B.C.  Hard water causes many problems in both in 
  8. the household and in the industrial world.  One of the largest problems with hard water is that it tends to 
  9. leave a residue when it evaporates.  Aside from being aesthetically unpleasing to look at, the build up of 
  10. hard water residue can result in the clogging of valves, drains and piping.  This build up is merely the 
  11. accumulation of the minerals dissolved in natural water and is commonly called scale.  
  12.  
  13. Other  than clogging plumbing, the build up of scale poses a large problem in the industrial world.  Many 
  14. things that are heated are often cooled by water running thru piping.  The build up of scale in these pipes 
  15. can greatly reduce the amount of heat the cooling unit can draw away from the source it is trying to heat.  
  16. This poses a potentially dangerous situation.  The build up of excess heat can do a lot of damage; boilers 
  17. can explode, containers can melt etc.  On the flip side of the coin, a build up of scale on an object being 
  18. heated, a kettle for example, can greatly reduce the heat efficiency of the kettle.  Because of this, it takes 
  19. much more energy to heat the kettle to the necessary temperature.  In the industrial world, this could 
  20. amount to large sums of money being thrown into wasted heat.
  21.  
  22. In addition to clogging plumbing and reducing heating efficiency, the build up of hard water also 
  23. adversely affects the efficiency of many soaps and cleansers.  The reason for this is because hard water 
  24. contains many divalent or sometimes even polyvalent ions.  These ions react with the soap and although 
  25. they do not form precipitates, they prevent the soap from doing it's job.  When the polyvalent ions react 
  26. with the soap, they form an insoluble soap scum.  This is once again quite unpleasing to look at and stains 
  27. many surfaces.
  28.  
  29. The sole reason for all these problems arising from hard water is because hard water tends to have higher 
  30. than normal concentrations of these minerals, and hence it leaves a considerable amount more residue 
  31. than normal water.  The concentration of these minerals is what is known as the water's Total Dissolved 
  32. Solids or TDS for short.  This is merely a way of expressing how many particles are dissolved in water.  
  33. The TDS vary from waters of different sources, however they are present in at least some quantity in all 
  34. water, unless it has been passed through a special distillation filter.  The relative TDS is easily measured 
  35. by placing two drops of water, one distilled and one experimental on a hotplate and evaporating the two 
  36. drops.  You will notice that the experimental drop will leave a white residue.  This can be compared to 
  37. samples from other sources, and can be used as a crude way of measuring the relative TDS of water from a 
  38. specific area.  The more residue that is left behind, the more dissolved solids were present in that 
  39. particular sample of water.   The residue that is left, is in fact, the solids that were in the water.  
  40.  
  41. Another, perhaps more quantitative way of determining hardness of water is by calculating the actual 
  42. concentrations of divalent ions held in solution.  This can be done one of two ways. One is by serially  
  43. titrating the water with increasing concentrations of indicator for Mg++ and Ca++ (we will be using 
  44. EDTA).  This will tell us the approximate concentration of all divalent ions.   This method of serial 
  45. titrations is accurate to within 10 parts per million (ppm) .  
  46.  
  47. Another possible method for determining the hardness of water is by using Atomic Absorption 
  48. Spectrophotometry or AA for short.  AA is a method of determining the concentrations of individual 
  49. metallic ions dissolved in the water.  This is accomplished by sending small amounts of energy thru the 
  50. water sample.  This causes the electrons to assume excited states.  When the electrons drop back to their 
  51. ground states, they release a photon of energy.  This photon is measured by a machine and matched up to 
  52. the corresponding element with the same  E as was released.  This is in turn is related to the intensity of 
  53. the light emitted and the amount of light absorbed and based on these calculations, a  concentration value 
  54. is assigned. A quick overview of how the atomic absorption spectrophotometer works follows.  First, the 
  55. water sample is sucked up.  Then the water sample is atomized into a fine aerosol mist.  This is in turn 
  56. sprayed into an extremely high intensity flame of 2300  C which is attained by burning a precise mix of 
  57. air and acetylene.  This mixture burns hot enough to atomize everything in the solution, solvent and solute 
  58. alike.  A light is emitted from a hollow cathode lamp.  The light is then absorbed by the atoms and an 
  59. absorption spectrum is obtained.  This is matched with cataloged known values to attain a reading on 
  60. concentration.
  61.  
  62. Because there are so many problems with hard water, we decided that perhaps the water on Penn State's 
  63. campus should be examined.  My partners and I decided to test levels of divalent ions (specifically Mg++ 
  64. and Ca++ ) in successive floors of dormitories.  We hypothesized that the upper level dormitories would 
  65. have lower concentrations of these divalent ions because seeing as how they are both heavy metals, they 
  66. would tend to settle out of solution.  The Ca++ should settle out first seeing how it is heavier than the 
  67. Mg++, but they will both decrease in concentration as they climb to higher floors in the dormitories.
  68.  
  69.                    
  70. PROCEDURE
  71.      We collected samples from around Hamilton Halls, West halls.  In order to be systematic, we 
  72. collected samples in the morning from the water fountains near the south end of the halls.  We collected 
  73. water samples from each floor in order for comparison.  The reason we collected them in the morning was 
  74. so that the Mg++ and Ca++ would be in noticeable quantities.  We then went about and tested and 
  75. analyzed via serial titrations and via Atomic Absorption Spectrophotometry.  We also obtained a TDS 
  76. sample merely for the sake of comparison, and to ensure that were in fact dissolved solids in our water 
  77. samples (without which this lab would become moot).  For the serial titration, we merely mixed the water 
  78. sample with EBT, and then with increasing concentrations of EDTA.  The EBT served as an indicator to 
  79. tell us when the concentrations of the EDTA and the divalent ions in solution were equal (actually it told 
  80. us when Mg++ was taken out of solution but that served the same purpose).  This allowed us to find the 
  81. concentration of the divalent ions dissolved in solution.  Based on this, we calculated the parts per million 
  82. and the grains per gallon for each water sample.  Finally, we took an AA reading for each sample.  This 
  83. gave us absorption values and concentration values for each of the two main metals we were observing; 
  84. Ca++ and Mg++.  We then plotted a graph of Atomic Absorption Standards.  These were values given to 
  85. us by the AA operator.  These values helped us to calibrate the machine.  The parts per million that we 
  86. find will be based on plugging in the reported absorption value into the resulting curve from the graph of 
  87. these values.  The resulting concentration was used as the final value for the hardness for that particular 
  88. sample.  All calculations and conclusions were done based on these final values obtained for the 
  89. concentration of Ca++ and Mg++.
  90.      For more detail, refer to full in depth procedure as directed by: Penn State Version of... Chemtrek
  91.         August 1996 - July 1997; Stephen Thompson; Prentice Hall; Englewood Cliffs, NJ 
  92. 07632; ⌐ 199
  93.  
  94.                    
  95. RESULTS
  96. Molarity x (100g CaCO3 / 1 mole CaCO3 ) x (1000 mg / 1g) =     Xmg/1000g = ppm
  97. Grains/Gallon = ppm /17.1
  98.  
  99. Example:
  100. (1.6 x 10 -3 moles / 1 Liter) x (100g CaCO3 / 1 mole CaCO3 ) x (1000 mg / 1g) = 160 ppm
  101. 160 ppm/17.1 = 9.35 grains/gallon
  102.  
  103. Serial Titration Results
  104. Name:    #    Molarity    Parts Per Million    Grains Per Gallon
  105. Samir Sandesara    1    1.6 x 10 -3    160    9.35
  106. Andy    2    1.6 x 10 -3    160    9.35
  107. Ben    3    1.2 x 10 -3    120    7.01
  108. Tom    4    1.8 x 10 -3    180    10.5
  109.  
  110. Table #1: This table displays the values obtained by serial EDTA titration of the water samples.
  111. Conversion Factors Given by AA operator:     Ca++      =  2.5
  112.                                         Mg++ =  4.2
  113. Ca++ x  2.5 = CaCO3 hardness ppm value
  114. Mg++ x 100 x 4.5 = Mg CO3 hardness ppm value *NOTE: the Mg++ is x 100 because it was diluted 
  115. before it was
  116. put into the AA.
  117. Example:
  118. Ca++: 27.52 x 2.5 = 68.8 ppm   4.02 g/gal
  119. Mg++: .251 x 100 x 4.2 = 105.42 6.16 g/gal
  120. Atomic Absorption Values
  121. Name
  122. :    #    Abs
  123. Mg++    Abs Ca++    AA ppm
  124. Mg++    AA ppm
  125. Ca++    ppm
  126. Mg++    ppm
  127. Ca++    g/Gal
  128. Mg++    g/Gal
  129. Ca++
  130. Samir    1    0.2270    0.5923    0.251    27.52    105.42    68.8    6.16    4.02
  131. Andy    2    0.2041    0.5493    0.225    25.10    92.40    62.75    5.40    3.67
  132. Ben    3    0.3633    0.5800    0.401    26.83    168.22    67.07    9.88    3.90
  133. Tom    4    0.2673    0.5589    0.295    25.65    123.90    64.11    7.24    3.75
  134.  
  135. Table #2: This table displays the values obtained from AA analyzation, and shows the hardness of the 
  136. water as contributed by each
  137. individual element.
  138.  
  139.  
  140.  
  141.  
  142.  
  143.  
  144.  
  145.  
  146.  
  147.  
  148.  
  149.  
  150.  
  151.  
  152. Absorbency Values    
  153. Parts Per Million
  154. 0.000    0.0
  155. 0.125     0.1 
  156. 0.403     0.5 
  157. 0.716     1.0
  158.  
  159.  
  160.  
  161.  
  162.  
  163.  
  164.  
  165.  
  166.  
  167.  
  168.  
  169.  
  170.  
  171. Absorbency Values    
  172. Parts Per Million
  173. 0.0000     0.000 
  174. 0.0142     0.493 
  175. 0.0262     0.985 
  176. 0.0536     1.970 
  177. 0.2360     9.850 
  178. 0.4540     19.700 
  179. 0.9230     49.250 
  180.  
  181.  
  182. Floor Number    Hardness (ppm)
  183. 1    174.3
  184. 2    159.1
  185. 3    235.5
  186. 4    188.0
  187.  
  188.  
  189.  
  190.                                       
  191.                                       DISCUSSION
  192.                    The final hardness values were obtained by graphing the AA Standards on the previous page 
  193. and then plugging
  194. in the absorption values give by the AA (Table #2).  This is the grey line that appears in both graphs.  
  195. When this
  196. line was extended down from the point of intersection, it was able to read the ppm value at that point.  
  197. The ppm
  198. value for both Ca++ and the Mg++ were then summed to attain the final hardness of the water.
  199.  
  200. The other numbers above reveal much about the water in Hamilton Hall.  Looking at the final hardness 
  201. values
  202. that were attained, it is clear that the two upper floors had harder water than the lower floors. However, 
  203. table
  204. #2 shows that the concentration of Ca++ decreased overall as the water climbed higher in the dormitory.  
  205. What
  206. was unexpected was that the concentration of Mg++ actually increased as it climbed higher.  As of 
  207. present, I have
  208. no rational scientific explanation for this.  The only possible explanation I could possibly think of is 
  209. perhaps there
  210. is something within the plumbing that contains Mg and the further the water travels in it, the more 
  211. dissolves of
  212. the Mg dissolves.  Aside from that, there does not seem to be any possible explanation.  What is also 
  213. interesting
  214. is that with the exception of the #3 sample, the hardness values attained from the AA were very similar to 
  215. those
  216. attained by serial EDTA titration.  These indicates a low source of error and gives support to my numbers.   
  217. Even more support is added to the numbers when the ppm values are added up in Table 2.  These values, 
  218. for
  219. the most part, also seem to be in a relatively tight "ball park" of the final AA values.  Given that the 
  220. accuracy
  221. of serial titrations is ▒ 10 ppm, it is extremely safe to say that my numbers are correct.  
  222. A brief overview of the numbers seems to show that there is indeed a trend, and the more in-depth look at 
  223. the
  224. numbers shows that they all seem to back each other up.  This seems to imply a that most if not all of the 
  225. results
  226. are quite accurate and precise. 
  227.  
  228.                                       
  229.                                       CONCLUSION
  230.                    Upon completion of this lab, it can be said that the data supports only half of the original 
  231. hypothesis.  Yes, the Ca++ did seem to decrease as the water got further from the source and climbed 
  232. higher in the dormitories.  However, the Mg++ did not.  Instead it did quite the opposite and showed a 
  233. general trend of increasing in concentration as it got further away from the source and higher in the 
  234. dormitories.    Perhaps a viable explanation could be attained if studies were done on the plumbing inside 
  235. the building.  Perhaps there is a high concentration of magnesium in the solder used to hold the pipes 
  236. together.  Perhaps it is not in the pipes but  rather perhaps the people on the upper floors get up later and 
  237. therefore at the time of collection, the water in the upper floors had been sitting longer than that on the 
  238. lower floors.  In either case,. More investigation would have to be conducted in order determine what 
  239. caused the unexpected results.  
  240.  
  241. In light of this discrepancy, the overall accuracy of the lab was very good.  The numbers all seem to back 
  242. each other up and correlate very well.  As was mentioned in the previous section, the precision and 
  243. accuracy with which this lab was carried out seems to indicate that there is very little source of error.  The 
  244. only one that was possibly flawed was sample #3.  This could have been due to an error in the dilution or 
  245. any other factor.  Since I personally did not carry out that portion of the experiment, I cannot be sure.  
  246. However, the other 3 samples provide more than ample ammounts of accurate information. Overall, it 
  247. seems that the lab was quite well done. 
  248. The hypothesis would have to be revised and as of this point, without further investigation, it would have 
  249. to be reformulated to say that only the Ca++ would decrease in concentration whereas the Mg++ would 
  250. increase.
  251.  
  252.  
  253.                              
  254.                                       REFERENCES
  255. 1) Brown, Theodore L. et al; Chemistry The central Science; Sixth Edition; Prentice Hall, Englewood 
  256. Cliffs, NJ; ⌐1994
  257.  
  258. 2) Stephen Thompson;  Penn State Version of...Chemtrek; August 1996 - July 1997; Prentice Hall; 
  259. Englewood
  260.   Cliffs, NJ; ⌐ 1990
  261.  
  262. 3) Internet Resource; http://www.kinetico.com/hard.htm
  263.  
  264.  
  265.  
  266.