home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / sci / chem-faq / part6 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  2004-01-16  |  65.1 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!news2.telebyte.nl!news.completel.fr!fr.ip.ndsoftware.net!proxad.net!203.109.252.33.MISMATCH!newsfeeds.ihug.co.nz!ihug.co.nz!news.comnet.co.nz!not-for-mail
  2. From: Bruce Hamilton <B.Hamilton@irl.cri.nz>
  3. Newsgroups: sci.chem,sci.answers,news.answers
  4. Subject: Sci.chem FAQ - Part 6 of 7
  5. Followup-To: sci.chem
  6. Date: Thu, 15 Jan 2004 22:12:19 +1300
  7. Organization: Industrial Research Limited
  8. Lines: 1153
  9. Approved: news-answers-request@mit.edu
  10. Expires: 15 Feb 2004 00:00:01 GMT
  11. Message-ID: <jamc00dq37vc96orlc4s5qfmk7bbmenjf5@4ax.com>
  12. Reply-To: B.Hamilton@irl.cri.nz
  13. NNTP-Posting-Host: ippool31-189-irl.remote.irl.cri.nz
  14. Mime-Version: 1.0
  15. Content-Type: text/plain; charset=us-ascii
  16. Content-Transfer-Encoding: 7bit
  17. X-Trace: news.comnet.co.nz 1074157940 19220 131.203.243.189 (15 Jan 2004 09:12:20 GMT)
  18. X-Complaints-To: usenet@news.comnet.co.nz
  19. NNTP-Posting-Date: 15 Jan 2004 09:12:20 GMT
  20. X-Newsreader: Forte Free Agent 1.93/32.576 English (American)
  21. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.chem:239414 sci.answers:15725 news.answers:264290
  22.  
  23. Archive-name: sci/chem-faq/part6
  24. Posting-Frequency: monthly
  25. Last-modified: 22 October 1999
  26. Version: 1.17
  27.  
  28. Subject: 26. Electrochemical Techniques
  29.      
  30. 26.1  What is pH?
  31.  
  32. The pH scale determines the degree of acidity or alkalinity of a solution,
  33. but as it involves a single ion activity it can not be measured directly.
  34.  
  35. pH = - log10 ( gamma H  x  m H )
  36.  
  37. where gamma H = hydrogen ion single ion activity coefficient
  38.           m H = molality of the hydrogen ion.
  39.  
  40. As pH can not be directly measured, it is defined operationally according to
  41. the method used to determine it. IUPAC recommend several standardised methods
  42. for the determination of pH in solution in aqueous solutions. There are 
  43. seven primary reference standards that can be used, including 0.05 mol/kg
  44. potassium hydrogen phthalate as the Reference Value Standard. There is an
  45. ongoing debate concerning the relative merits of having a multiple primary
  46. standard scale ( that defines pH using several primary standards, and their
  47. values are determined using a cell without a liquid junction ) or a single
  48. primary standard ( that requires a cell with a liquid junction ). Interested
  49. readers can obtain further information on the debate in [1]. Bates [2], is a 
  50. popular text covering both theory and practise of pH measurement. 
  51.    
  52. 26.2  How do pH electrodes work?     
  53.  
  54. Contributed by Paul Willems <Paul.Willems@rug.ac.be>, and slightly modified 
  55. by Bruce Hamilton.
  56.  
  57. The most common type of pH electrodes are the "glass" electrodes. They
  58. consist of a special glass membrane that is sensitive to variations in pH, 
  59. as pH variation also changes the electrical potential across the glass. In 
  60. order to be able to measure this potential, a second electrode, the 
  61. "reference" electrode, is required. Both electrodes can be present in a 
  62. "combined" pH electrode, or two physically-separate electrodes can be used.
  63.  
  64. The glass electrode consists of a glass shaft on which a bulb of a special
  65. glass is mounted. The inner is usually filled with 3 Mol/Litre aqueous KCl
  66. and sealed. Electrical contact is provided by a silver wire immersed in the 
  67. KCl.
  68.  
  69. For "combined" electrodes, the glass electrode is surrounded by a concentric
  70. reference electrode. The reference electrode consists of a silver wire in 
  71. contact with the almost-insoluble AgCl. The electrical contact with the meter
  72. is through the silver wire. Contact with the solution being measured is via
  73. a KCl filling solution. To minimise mixing of the solution to be measured and
  74. the filling solution, a porous seal, the diaphragm, is used. This is usually
  75. a small glass sinter, however other methods which allow a slow mixing contact
  76. can also be used, especially for samples with low ionic strength. Besides the
  77. "normal" KCl solutions, often solutions with an increased viscosity, and 
  78. hence lower mixing rate are used. A gel filling can also be used, which 
  79. eliminates the necessity for slow mixing devices. 
  80.  
  81. In contact with different pH solutions a typical glass electrode gives, when 
  82. compared to the reference electrode, a voltage of about 0 mV at pH 7, 
  83. increasing by 59 mV per pH unit above 7, or decreasing by 59 mV per pH unit 
  84. below 7. Both the slope, and the intercept of the curve between pH and 
  85. generated potential, are temperature dependent. The potential of the 
  86. electrode is approximated by the Nernst equation :
  87.  
  88. E = E0 - RT log [H+] = E0 + RT pH
  89. Where E is the generated potential, E0 is a constant, R is universal
  90. gas constant and T is the temperature in degrees Kelvin.
  91.  
  92. All pH-sensitive glasses are also susceptible to other ions, such as Na or K. 
  93. This requires a correction in the above equation, so the relationship between 
  94. pH and generated voltage becomes nonlinear at high pH values. The slope tends
  95. to diminish both as the electrode ages, and at high pH. As the electrode has
  96. a very high impedance, typically 250 Megohms to 1 Gigohm, it is necessary to
  97. use a very high impedance measuring instrument.
  98.  
  99. The reference electrode has a fairly constant potential, but it is 
  100. temperature dependent, and also varies with activity of the silver ions in 
  101. the reference electrode. This occurs if a contaminant enters the reference
  102. electrode.
  103.  
  104. Calibration
  105.  
  106. From the preceding, it is obvious that frequent calibration and adjustment of
  107. pH meters are necessary. To check the pH meter, at least two standard buffer 
  108. solutions are used to cover the range of interest. The pH meter should be 
  109. on for at least 30 minutes prior to calibration to ensure that all components
  110. are at thermal equilibrium, and calibration solutions should be immersed for
  111. at least a minute to ensure equilibrium. 
  112.  
  113. First use the buffer at pH 7, and adjust the zero (or the intercept). 
  114. Then, after thorough rinsing with water, use the other buffer to adjust the 
  115. slope. This cycle in repeated at least once, or until no further adjustments 
  116. are necessary. Many modern pH meters have an automatic calibration feature,
  117. which requires each buffer only once.
  118.  
  119. Errors
  120.  
  121. People assume pH measurements are accurate, however many potential errors 
  122. exist. There can be errors caused by the pH-sensitive glass, reference 
  123. electrode, electrical components, as well as externally generated errors.
  124.  
  125. Glass Electrode Errors
  126.  
  127. The pH-sensitive glass can be damaged. Major cracks are obvious, but minor
  128. damage can be difficult to detect. If the internal liquid of the pH-measuring
  129. electrode and the external environment are connected, a pH value close to 7 
  130. will be obtained. It will not change when the electrode is immersed in a 
  131. known solution of different pH. The electrical resistance of the glass 
  132. membrane will also be low, often below 1 megohm, and it must be replaced.
  133.  
  134. Similar results occur if the glass wall between the inner and outer part of 
  135. a combined electrode breaks. This may occur if the outer part is plastic.
  136. The inner part can crack without any external signs. The electrical 
  137. resistivity over the glass electrode is intact, but actual measuring between
  138. both electrodes reveals a low resistivity. The electrode must be replaced.
  139.  
  140. The glass can wear out. This gives slow response times, as well as a lower 
  141. slope for the mV versus pH curve. To rejuvenate, immerse the electrode in a 
  142. 3 Molar KCl solution at 55 degrees Celsius for 5 hours. If this does not 
  143. solve the problem, try removing a thin layer of the glass by immersion for
  144. two minutes in a mixture of HCl and KF (be careful, do not breathe the fumes,
  145. and wear gloves). The electrode is then immersed for two more minutes in HCl,
  146. and rinsed thoroughly. As an outer layer of glass has been removed, the new 
  147. surface will be like a new electrode, however the thinner glass will result
  148. in a shorter electrode life. Frequent recalibration will be required for
  149. several days.
  150.  
  151. The glass can be dirty. A deposit on the glass will slow the response time,
  152. make the response sensitive to agitation and ionic strength, and also give 
  153. the pH of the film, not the sample solution. If the deposit is known, use a
  154. appropriate solvent to remove it, and rehydrate the electrode in 3M KCl.
  155. If the deposit is not known, first immerse the electrode for a few minutes 
  156. in a strongly alkaline solution, rinse thoroughly, and immerse it in a 
  157. strong acid (HCl) solution for several minutes. If this does not help, try 
  158. using pepsin in HCl. If still unsuccessful, use the above HCl/KF method. 
  159.  
  160. Reference Electrode Errors
  161.  
  162. The diaphragm of the reference can become blocked. This is seen as unstable
  163. or wrong pH measurements. If the electrical resistivity of the diaphragm is
  164. measured, high values are reported (Most multimeters will give an over-range 
  165. error). The most common reason is that AgS formed a precipitate in the 
  166. diaphragm. The diaphragm will be black in this case. The electrode should be 
  167. immersed in a solution of acidic thiourea until the diaphragm is white, and
  168. then replace the internal filling liquid of the reference electrode 
  169.  
  170. There is no contact across the diaphragm, due to air bubbles. This appears
  171. as if the diaphragm were blocked, except that the diaphragm is white. Ensure 
  172. that the filling solution level in the reference electrode is always well
  173. above the sample, so that liquid is always slowly flowing from the reference 
  174. electrode towards the sample.
  175.  
  176. The electrode filling solution is contaminated. This appears as unstable or 
  177. wrong pH measurements. Often the 0mV pH differs considerably from pH 7. The 
  178. diaphragm has its normal colour and the electrical resistivity is normal. 
  179. However, the solution often becomes contaminated due to low filling solution 
  180. levels, and air bubbles may also appear in the diaphragm, which obviously
  181. affects electrical resistivity. Replacing the reference filling solution 
  182. several times should solve the problem, but the electrode may have been 
  183. permanently damaged. The problem can be avoided by choosing gel-filled 
  184. reference electrodes, double-junction electrodes, or ensuring there is an 
  185. outflow of reference filling solution towards the sample.
  186.  
  187. The electrode was filled with the wrong reference solution. This appears as
  188. as displaced pH measurements. Flush and replace the reference liquid.
  189.  
  190. Electrical errors 
  191.  
  192. Condensation or sample contamination of the electrode connecting cable. This 
  193. appears as an almost-constant measurement of about pH 7, even when the pH 
  194. electrode is disconnected from the cable, or as a pH which changes less than 
  195. it should, when tested with two standard solutions. If the cable is 
  196. disconnected from the meter, the pH will start to drift.
  197.  
  198. There is a short circuit in the cable. The symptoms are similar to the above
  199. case, except that bending the cable may create sharp, spurious readings. In 
  200. most pH cables, between the two copper conductors there are two layers which 
  201. appear to be insulators. The inner layer is an insulator, whereas the outer 
  202. layer is a conductor to avoid trace electrical effects. If this outer layer 
  203. does contact the inner conductor, there will be a short circuit. Replace 
  204. suspect cables.
  205.  
  206. The input stage of the meter is contaminated with conducting liquid. The 
  207. symptoms are the same as above, except that removing the cable has no
  208. effect. Closely examine the input stage of the meter for liquid or deposits. 
  209. If present, rinse with distilled water, then ethanol, and dry thoroughly.
  210.  
  211. The input stage of the meter is faulty. This gives random measurements.
  212. Shorting both input wires does not make any difference. Repair the meter.
  213.  
  214. The input stage appears faulty. Shorting both input wires gives a stable
  215. pH measurement of about 7. The meter may be faulty, but probably the problem 
  216. is elsewhere in the electrical circuit.
  217.  
  218. Externally-generated Errors
  219.  
  220. If a significant flow of liquid passes the electrode, then there can
  221. be a minor electrical effect. This generates a potential on the glass
  222. membrane, which is superimposed on the actual pH measurement. This effect
  223. becomes negligible for highly-conducting liquids. It is seldom observed.
  224. If the trace electric effect does influence pH measurements, the addition 
  225. of a little salt to increase the conductivity, or changing the flux of 
  226. liquid around the electrode, should solve the problem.
  227.  
  228. Ground loops and spurious electrical currents may generate unexpected 
  229. electrical signals. Such signals can strongly influence pH measurements. 
  230. A pH reading in the range of -15 to +20 is possible, even if the pH is 7. 
  231. Ground loops can be eliminated by grounding the system according to the
  232. manufacturer's instructions, and ensuring insulation is in good condition. 
  233. Often these problems can be extremely difficult to detect and remedy.
  234.  
  235. Low ionic strength samples can be affected by electrolyte from the electrode, 
  236. and special electrodes are available.
  237.  
  238. 26.3  What are ion-selective electrodes? 
  239.  
  240. Ion selective electrodes are electrochemical sensors whose potential varies
  241. with the logarithm of the activity of an ion in solution. Available types:
  242. 1. The membrane is a single compound, or a homogeneous mixture of compounds.
  243. 2. The membrane is a thin glass whose chemical composition determines the 
  244.    response to specific ions.
  245. 3. The support, containing an ionic species, or uncharged species, forms the
  246.    membrane. The support can be solid or porous.  
  247. Popular texts on applications of ion-selective electrodes include 
  248. "Ion-Selective Electrodes in Analytical Chemistry" [3], and "Ion-selective
  249. Electrode Methodology" [4].
  250.  
  251. 26.4  Who supplies pH and ion-selective electrodes?
  252.  
  253. The best known manufacturer of ion-selective electrodes is Orion Research. 
  254. There are several pH electrode manufacturers, including Radiometer and
  255. Metrohm.
  256.  
  257. ------------------------------
  258.  
  259. Subject: 27. Fuel Chemistry
  260.  
  261. 27.1  Where does crude oil come from?.
  262.  
  263. The generally-accepted origin of crude oil is from plant life up to 3 
  264. billion years ago, but predominantly from 100 to 600 million years ago [1]. 
  265. "Dead vegetarian dino dinner" is more correct than "dead dinos".
  266. The molecular structure of the hydrocarbons and other compounds present 
  267. in fossil fuels can be linked to the leaf waxes and other plant molecules of 
  268. marine and terrestrial plants believed to exist during that era. There are 
  269. various biogenic marker chemicals such as isoprenoids from terpenes, 
  270. porphyrins and aromatics from natural pigments, pristane and phytane from 
  271. the hydrolysis of chlorophyll, and normal alkanes from waxes, whose size 
  272. and shape can not be explained by known geological processes [2]. The 
  273. presence of optical activity and the carbon isotopic ratios also indicate a 
  274. biological origin [3]. There is another hypothesis that suggests crude oil 
  275. is derived from methane from the earth's interior. The current main 
  276. proponent of this abiotic theory is Thomas Gold, however abiotic and
  277. extraterrestrial origins for fossil fuels were also considered at the turn 
  278. of the century, and were discarded then. A large amount of additional
  279. evidence for the biological origin of crude oil has accumulated, however
  280. Professor Gold still actively promotes his theory worldwide, even though
  281. it does not account for the location and composition of all crude oils.  
  282.  
  283. 27.2  What are CNG/LPG/gasoline/kerosine/diesel?. 
  284.  
  285. Crude oil consists mainly of hydrocarbons with carbon numbers between one and
  286. forty. The petroleum refinery takes this product and refines it into several
  287. fuel fractions that are optimised for their intended application. For spark
  288. ignition engines, the very volatile and branched chain alkane hydrocarbons
  289. have desirable combustion properties, and several fractions are produced.
  290.           
  291. CNG ( Compressed Natural Gas ) is usually around 70-90% methane with 10-20% 
  292. ethane, 2-8% propanes, and decreasing quantities of the higher HCs up to 
  293. pentane.  The major disadvantage of compressed gaseous fuels is the reduced 
  294. range. Vehicles may have between one to three cylinders ( 25 MPa, 90-120 
  295. litre capacity), and they usually provide about 50% of the gasoline range. 
  296.  
  297. LPG ( Liquefied Petroleum Gas ) is predominantly propane with iso-butane
  298. and n-butane. It has one major advantage over CNG, the tanks do not have
  299. to be high pressure, and the fuel is stored as a liquid. The fuel offers   
  300. most of the environmental benefits of CNG, including high octane - which
  301. means higher compression, more efficient, engines can be used. Approximately 
  302. 20-25% more fuel than gasoline is required, unless the engine is optimised 
  303. ( CR 12:1 ) for LPG, in which case there is no decrease in power or any 
  304. significant increase in fuel consumption [4,5].
  305.  
  306. Gasoline contains over 500 hydrocarbons that may have between 3 to 12 
  307. carbons, and gasoline used to have a boiling range from 30C to 220C at 
  308. atmospheric pressure. The boiling range is narrowing as the initial boiling 
  309. point is increasing, and the final boiling point is decreasing, both 
  310. changes are for environmental reasons. A detailed description of the 
  311. composition of gasoline, along with the properties and compositions of CNG, 
  312. LPG, and oxygenates can be found in the Gasoline FAQ, which is posted monthly 
  313. to rec.autos.tech.
  314.  
  315. Kerosine is a hydrocarbon fraction that typically distils between 170-270C
  316. (narrow cut kerosine, or Jet A1) or 100-250C ( wide cut kerosine, or JP-4 ). 
  317. It contains around 20% of aromatics, however the aromatic content will be 
  318. reduced for high quality lighting kerosines, as the aromatics reduce the 
  319. smoke point. The major use for kerosines today is as aviation turbine (jet) 
  320. fuels. Special properties are required for that application, including high 
  321. flash point for safe refuelling ( 38C for Jet A1 ), low freezing point for
  322. high altitude flying ( -47C for Jet A1 ), and good water separation 
  323. characteristics.  Details can be found in any petroleum refining text and
  324. Kirk Othmer.
  325.  
  326. Diesel is used in compression ignition engines, and is a hydrocarbon fraction 
  327. that typically distils between 250-380C. Diesel engines use the Cetane 
  328. (n-hexadecane) rating to assess ignition delay. Normal alkanes have a high 
  329. cetane rating, ( nC16=100 ) whereas aromatics ( alpha methylnaphthalene = 0 ) 
  330. and iso-alkanes ( 2,2,4,4,6,8,8-hexamethylnonane = 15 ) have low ratings, 
  331. which represent long ignition delays. Because of the size of the hydrocarbons,
  332. the low temperature flow properties control the composition of diesel, and
  333. additives are used to prevent filter blocking in cooler temperatures. There
  334. are usually summer and winter grades. Environmental legislation is reducing
  335. the amount of aromatics and sulfur permitted in diesel, and the emission of
  336. small particulates ( diameters of <10um ) that are considered possibly
  337. carcinogenic, and are known to cause other adverse health effects. Details 
  338. can be found in any petroleum refining text and Kirk Othmer.
  339.  
  340. 27.3  What are oxygenates?.
  341.  
  342. Oxygenates are just pre-used hydrocarbons :-). They contain oxygen, which can 
  343. not provide energy, but their structure provides a reasonable anti-knock 
  344. value, thus they are good substitutes for aromatics, and they may also reduce
  345. the smog-forming tendencies of the exhaust gases [6]. Most oxygenates used 
  346. in gasolines are either alcohols ( Cx-O-H ) or ethers (Cx-O-Cy), and contain 
  347. 1 to 6 carbons. Alcohols have been used in gasolines since the 1930s, and
  348. MTBE was first used in commercial gasolines in Italy in 1973, and was first
  349. used in the US by ARCO in 1979. The relative advantages of aromatics and 
  350. oxygenates as environmentally-friendly and low toxicity octane-enhancers are 
  351. still being researched.
  352.  
  353.     Ethanol                                  C-C-O-H      C2H5OH
  354.   
  355.                                                C
  356.                                                |
  357.     Methyl tertiary butyl ether              C-C-O-C      C4H9OCH3
  358.     (aka tertiary butyl methyl ether )         |
  359.                                                C
  360.  
  361. They can be produced from fossil fuels eg methanol (MeOH), methyl tertiary 
  362. butyl ether (MTBE), tertiary amyl methyl ether (TAME), or from biomass, eg 
  363. ethanol(EtOH), ethyl tertiary butyl ether (ETBE)). MTBE is produced by 
  364. reacting methanol ( from natural gas ) with isobutylene in the liquid phase 
  365. over an acidic ion-exchange resin catalyst at 100C. The isobutylene was 
  366. initially from refinery catalytic crackers or petrochemical olefin plants, 
  367. but these days larger plants produce it from butanes.
  368.  
  369. Oxygenates have significantly different physical properties to hydrocarbons,
  370. and the levels that can be added to gasolines are controlled by the EPA in
  371. the US, with waivers being granted for some combinations. Initially the
  372. oxygenates were added to hydrocarbon fractions that were slightly-modified
  373. unleaded gasoline fractions, and these were commonly known as "oxygenated"
  374. gasolines. In 1995, the hydrocarbon fraction was significantly modified, and
  375. these gasolines are called "reformulated gasolines" ( RFGs ). The change to
  376. reformulated gasoline requires oxygenates to provide octane, but also that 
  377. the hydrocarbon composition of RFG must be significantly more modified than 
  378. the existing oxygenated gasolines to reduce unsaturates, volatility, benzene,
  379. and the reactivity of emissions. 
  380.  
  381. Oxygenates that are added to gasoline function in two ways. Firstly they
  382. have high blending octane, and so can replace high octane aromatics
  383. in the fuel. These aromatics are responsible for disproportionate amounts
  384. of CO and HC exhaust emissions. This is called the "aromatic substitution 
  385. effect". Oxygenates also cause engines without sophisticated engine 
  386. management systems to move to the lean side of stoichiometry, thus reducing 
  387. emissions of CO ( 2% oxygen can reduce CO by 16% ) and HC ( 2% oxygen can 
  388. reduce HC by 10%)[7]. However, on vehicles with engine management systems,
  389. the fuel volume will be increased to bring the stoichiometry back to
  390. the preferred optimum setting. Oxygen in the fuel can not contribute 
  391. energy, consequently the fuel has less energy content. For the same
  392. efficiency and power output, more fuel has to be burnt, and the slight
  393. improvements in combustion efficiency that oxygenates provide on some 
  394. engines usually do not completely compensate for the oxygen.
  395.  
  396. There are huge number of chemical mechanisms involved in the pre-flame 
  397. reactions of gasoline combustion. Although both alkyl leads and oxygenates 
  398. are effective at suppressing knock, the chemical modes through which they 
  399. act are entirely different. MTBE works by retarding the progress of the low 
  400. temperature or cool-flame reactions, consuming radical species, particularly 
  401. OH radicals and producing isobutene. The isobutene in turn consumes 
  402. additional OH radicals and produces unreactive, resonantly stabilised 
  403. radicals such as allyl and methyl allyl, as well as stable species such as 
  404. allene, which resist further oxidation [8,9]. 
  405.  
  406. The major concern with oxygenates is no longer that they may not be 
  407. effective at reducing atmospheric pollution, but that their greater water 
  408. solubility, and very slow biodegradability, can result in groundwater
  409. pollution that may be difficult to remove. Their toxicological and
  410. environmental effects are also still being researched. 
  411.  
  412. 27.4  What is petroleum ether?.
  413.  
  414. Petroleum ether ( aka petroleum spirits ) is a narrow alkane hydrocarbon
  415. distillate fraction from crude oil. The names "ether" and "spirit" refer
  416. to the very volatile nature of the solvent, and petroleum ether does not
  417. have the ether ( Cx-O-Cy ) linkage, but solely consists of hydrocarbons. 
  418. Petroleum ethers are defined by their boiling range, and that is typically 
  419. 20C. Typical fractions are 20-40C, 40-60C, 60-80C, 80-100C, 100-120C etc. 
  420. up to 200C. There are specially refined grades that have any aromatic 
  421. hydrocarbons removed, and there are specially named grades, eg pentane
  422. fraction (30-40C), hexane fraction (60-80C, 67-70C). It is important to
  423. note that most "hexane" fractions are mixtures of hydrocarbons, and pure
  424. normal hexane is usually described as "n-hexane".  
  425.  
  426. 27.5  What is naphtha?.
  427.  
  428. Naphtha is a refined light distillate fraction, usually boiling below 250C,
  429. but often with a fairly wide boiling range. Gasoline and kerosine are the 
  430. most well-known, but there are a whole range of special-purpose hydrocarbon 
  431. fractions that can be described as naphtha. The petroleum refining industry
  432. calls the 0-100C fraction from the distillation of crude oil "light virgin
  433. naphtha" and the 100-200C fraction " heavy virgin naphtha". The product
  434. stream from the fluid catalytic cracker is often split into three fractions,
  435. <105C = "light FCC naphtha", 105-160C = "intermediate FCC naphtha" and 
  436. 160-200C "heavy FCC naphtha".  
  437.  
  438. 27.6  What are white spirits?.
  439.  
  440. White spirits are petroleum fractions that boil between 150-220C. They can 
  441. have aromatics contents between 0-100%, and Shell lists eight grades with 
  442. aromatics contents below 50%, and six grades with aromatics contents above
  443. 50%. The two common "white spirits" are defined by British Standard 245, 
  444. which states Type A should have aromatics content of less that 25% v/v and 
  445. Type B should have an aromatics content of 25-50% v/v. The most common 
  446. " white spirit" is type A, and it typically has an aromatics content of
  447. 20%, boils between 150-200C, and has an aniline point of 58C, and is 
  448. sometimes known as Low Aromatic White Spirits. The next most common is 
  449. Mineral Turpentine (aka High Aromatic White Spirits ), which typically has
  450. an aromatics content of 50%, boils between 150-200C and has an aniline
  451. point of 25C. For safety reasons, most White Spirits have Flash Points
  452. above ambient, and usually above 35C. Note that "white gas" is not white 
  453. spirits, but is a volatile gasoline fraction that has a flash point below 
  454. 0C, which is also known by several other names. Do not confuse the two 
  455. when purchasing fuel for camping stoves and lamps, ensure you purchase the
  456. correct fuel.   
  457.  
  458. 27.7  What are biofuels?.
  459.  
  460. Biofuels are produced from biomass ( land and aquatic vegetation, animal
  461. wastes, and photosynthetic organisms ), and are thus considered renewable
  462. within relatively short time-frames. Examples of biofuels include wood,
  463. dried animal dung, methyl esters from triglyceride oils, and methane from
  464. land-fills. The renewable aspect of most biofuels is essentially the use
  465. of solar energy to grow crops that can be converted to energy. There is
  466. a large monograph "Fuels from Biomass" in Kirk Othmer, and the subject
  467. is frequently discussed in alt.energy.renewable, sci.energy, and 
  468. sci.energy.hydrogen.  
  469.  
  470. 27.8  How can I convert cooking oil into diesel fuel?. 
  471.  
  472. Diesel engines can run on plant and animal triglycerides such as tallow
  473. and seed oils, however most trials have resulted in reduced engine life, or
  474. increased service costs. The solution is to transesterify the triglycerides
  475. into esters, taking care to avoid the formation of monoacylglycerides
  476. that will precipitate out at low temperatures or when diesel is encountered.
  477. There are several plants in Austria that produce Rapeseed Oil Methyl Esters
  478. as fuels for diesel engines. The economics of the process are very 
  479. dependant on the price of diesel and the market for the glycerol byproduct.
  480.  
  481. The common catalysts used to transesterify triglycerides are sodium 
  482. hydroxide, sodium methoxide and potassium carbonate. If the esters are to 
  483. be blended with diesel fuel, then a two stage reaction is usually required 
  484. to ensure that monoacylglycerides are kept below 0.05%. Usually this 
  485. involves using 22g of methanol ( containing 0.6g of sodium hydroxide ) and 
  486. 100g of tallow refluxed for 30 minutes. The mixture is cooled, the glycerol 
  487. layer removed, and a further 0.2g of sodium hydroxide is reacted for 5 
  488. minutes at 35C in a stirred reactor. The glycerol phase is allowed to 
  489. separate, and the ester phase is washed with water to remove residual 
  490. catalyst, glycerol and methanol. Note that sodium hydroxide is the most 
  491. cost-effective catalyst, but also has the worst tendency to form soaps. 
  492. The catalyst and methanol can be of industrial grade without further 
  493. purification required, however care should be taken to prevent additional 
  494. water entering the reaction [10]. 
  495.  
  496. The fuel can be converted into other esters, such as ethyl and butyl, but
  497. it really depends on the availability of cheap alcohol along with the
  498. desired properties of the fuels. The effect of catalysts, reagent ratio, 
  499. temperature, and moisture on the production of methyl, ethyl, and butyl
  500. esters from some common oils has been investigated [11]. The New Zealand 
  501. government investigated a wide range of techniques for turning various 
  502. vegetable and animal triglycerides into esters for diesel, and the reports 
  503. cover many aspects of the kinetics and efficiencies [12]. There is a general 
  504. overview of the current processes and technology available in Inform [13]. 
  505. A specific technique for analysing the monoglycerides has been published 
  506. [14], however I have found that acetylation followed by narrow bore 
  507. ( 0.1mm ID ) capillary chromatography is faster and cheaper.  
  508.  
  509. ------------------------------
  510.  
  511. Subject: 28. Pharmaceutical Chemistry
  512.  
  513. 28.1  Does Thalidomide racemise in humans?.
  514.  
  515. Thalidomide ( N-phthaloyl-alpha-aminoglutarimide ) is well known as an 
  516. enantiomeric sedative-hypnotic drug that caused tragic birth defects in 
  517. the early 1960s. It has often been claimed that the defects were caused by 
  518. the presence of the other isomer in the production batches, and if the pure 
  519. enantiomer had been sold, then the tragic defects would have been avoided. 
  520.  
  521. Unfortunately, thalidomide is optically unstable in solution; the pure 
  522. isomers of thalidomide racemise by the opening of the phthalimide ring, with 
  523. half-lives of 4-5 hours in buffer at pH 7.4, and less than 10 minutes in the 
  524. blood. Thus shortly after administration of either enantiomer, the other 
  525. enantiomer will be present in significant quantities [1].
  526.  
  527. Some recent work has revealed that thalidomide inhibits the production of
  528. tumour necrosis factor alpha. Elevated levels of TNF-alpha are associated
  529. with several inflammatory conditions. This has led to the development of
  530. analogues that are chirally stable in reconstituted human plasma, and which
  531. are undergoing development as anti-inflammatory drugs [2].   
  532.  
  533. ------------------------------
  534.  
  535. Subject: 29. Adhesive Chemistry 
  536.    
  537. ------------------------------
  538.  
  539. Subject: 30. Polymer Chemistry 
  540.      
  541. 30.1  How can I simply identify common plastics?. 
  542.  
  543. Read the recycle code :-). Alternatively, give it to the nearest IR 
  544. spectroscopist who has a polymer library. But if you want some fun, try the
  545. following.
  546.  
  547. There are several simple tests that can be performed in the home that can
  548. assist in separating common plastics, however it is important to realise that
  549. formulated products contain large quantities of pigments, plasticisers, and
  550. fillers that can dramatically alter the following properties. If possible
  551. repeat the tests on a reference sample of the plastic.
  552.  
  553. a. Visually examine the sample, looking for recycle codes :-)
  554.    While you are at it, you can check for indications of how the plastic
  555.    was made - moulded, injected, rolled, machined etc. 
  556. b. Try assessing the flexibility by bending, and look at the bending zone
  557.    - does the material stretch or is it brittle? 
  558. c. Test the hardness, try scratching it with pencils of differing hardness 
  559.    ( B,HB,1-6H ) to ascertain which causes a scratch in the plastic. 
  560.    Alternatively, attempt to scuff the sample with a fingernail. 
  561. d. Cut a small slither with a sharp knife. Does the sample cut cleanly
  562.    ( thermoplastic )?, or does it crumble ( thermosetting )?.
  563. e. Hold sample in small flame, note whether it burns, self-extinguishes on
  564.    removal from the flame, colour of the flame, and smell/acrid nature of 
  565.    fumes when flame is blown out ( Caution - the fumes are likely to be 
  566.    toxic ). Also attempt to press melted sample against a cold surface, and 
  567.    pull away - does sample easily form long threads.    
  568. f. Drop onto a hard surface, does the sample "ring" or "thud"?
  569. g. Place it in water. Does it float, sink slowly, or sink rapidly?
  570.    If it sinks rapidly, it is likely to be halogenated ( PVC, Viton, PTFE ) 
  571.    If it sinks slowly, possibly nylon
  572.    If it floats possibly polyethylene or polypropylene.
  573.    - you can ascertain the actual density by adding measured volumes of a 
  574.      low density solvent like methanol until the sample neither rises nor 
  575.      sinks.
  576.  
  577. Cutting thin slivers results in powdery chips ( thermosetting )
  578.  - carbolic smell in flame, self extinguishing = phenol formaldehyde
  579.  - self extinguishing, black smoke, acrid = epoxide
  580.  - fishy smell = urea formaldehyde, or melamine formaldehyde
  581.  
  582. cutting thin slivers results in smooth sliver ( thermoplastic )
  583.  - metallic "ring", burns (styrene smell)  = polystyrene
  584.    (note that high impact polystyrene may not give "ring" )
  585.  - "thud", floats, hard, glossy surface, burns (paraffin wax smell) = 
  586.       polypropylene
  587.  - "thud", floats, medium-hard surface, burns (sealing wax smell) = 
  588.       high density polyethylene 
  589.  - "thud", floats, soft surface, burns (paraffin wax smell) =
  590.       low density polyethylene 
  591.  - "thud", sinks, burns ( fruity smell ) = acrylic
  592.  - "thud", sinks, burns ( burning paper smell ) = cellulose acetate or
  593.       propionate.
  594.  - "thud", sinks, burns ( rancid butter smell ) = cellulose acetate butyrate
  595.  - "thud", sinks, difficult to ignite ( greenish tinge ) = PVC
  596.  - "thud", sinks, difficult to ignite ( yellow colour, formaldehyde smell )
  597.       = polyacetal
  598.  - "thud", sinks, difficult to ignite ( yellow colour, weak smell ), draws
  599.       into long threads = Nylon
  600.  - "thud", sinks, difficult to ignite ( minimal flame, decomposition but no
  601.       charring, cellular structure forms = polycarbonate.
  602.   
  603. 30.2  What do the plastics recycling codes mean?.  
  604.  
  605. The recycle codes for plastics are currently being reviewed, and new codes
  606. ( probably inside a totally different symbol ) will soon be introduced.
  607.  
  608. 1 = PET
  609. 2 = High density polyethylene
  610. 3 = Vinyl
  611. 4 = Low density polyethylene
  612. 5 = Polypropylene
  613. 6 = Polystyrene
  614. 7 = Others, including multi-layer
  615.  
  616. ------------------------------
  617.  
  618. Subject: 31. Others
  619.      
  620. 31.1  How does remote sensing of chemical pollutants work?. 
  621.  
  622. The are several techniques, but the one of most interest to the public is 
  623. the system being used to identify grossly polluting vehicles. The system 
  624. consists of an infra-red source on one side of the road, and a detector 
  625. system on the other. The collimated beam of IR is directed at a gas filter 
  626. radiometer equipped with two liquid-nitrogen-cooled indium antimide 
  627. photovoltaic detectors. The beam is split, and passes through a 4.3um 
  628. bandpass filter to isolate the CO2 spectral region, a 4.6um filter to 
  629. isolates the CO region, and a third filter to isolate the HC region. 
  630. A non-absorbing region is also used to compensate for signal strength. 
  631. There are various specific enhancements, such as the spinning gas-filter 
  632. correlation cell in the University of Denver FEAT ( Fuel Efficiency 
  633. Automobile Test ) system used to cost-effectively identify grossly-polluting 
  634. vehicles [1]. "Optical remote sensing for air pollutants - review " by 
  635. M.Simonds et al [2], provides a good introduction to the diverse range of 
  636. instruments used for remote sensing of pollutants. 
  637.  
  638. 31.2  How does a Lava Lamp work?.
  639.  
  640. Contributed by: Jim Webb <jnw4347@email.unc.edu>
  641.  
  642. A container filled with clear or dyed liquid contains a non-water-soluble 
  643. substance (the "lava") that's just a little bit denser (heavier), and has 
  644. a greater thermal coefficient of expansion, than the liquid around it. 
  645. Thus, it settles to the bottom of the container. A heat source at the 
  646. bottom of the container warms the substance, making it expand and become 
  647. less dense than the liquid around it. Thus, it rises. As it moves away 
  648. from the heat source, it cools, contracts a bit, and becomes (once again) 
  649. heavier than the medium. Thus, it falls. Heavy, light, heavy, light. 
  650. Sounds like a Milan Kundera novel. 
  651. (Actually, to be more precise: dense, less dense, dense, less dense.)
  652.  
  653. 31.3 How do I make a Lava Lamp?.
  654.  
  655. Contributed by: Jim Webb <jnw4347@email.unc.edu>
  656.  
  657. Method 1. A new, easy, simple, cheap lava lamp recipe
  658.  
  659. Use mineral oil as the lava. Use 90% isopropyl alcohol (which most 
  660. drugstores can easily order) and 70% isopropyl alcohol (grocery-store 
  661. rubbing alcohol) for the other ingredient. In 90% alcohol the mineral oil 
  662. will sink to the bottom; slowly add the 70% alcohol (gently mixing all 
  663. the while; take your time) until the oil seems lighter and is about to 
  664. "jump" off the bottom. Use the two alcohols to adjust the responsiveness 
  665. of the "lava." 
  666.  
  667. This mixture is placed in a closed container (the "lava lamp shape" is 
  668. not required, although something fairly tall is good) and situated over a 
  669. 40-watt bulb. If the "lava" tends to collect at the top, try putting a 
  670. dimmer on the bulb, or a fan at the top of the container.
  671.  
  672. To dye the lava, use an oil-based dye like artists' oil paints or a 
  673. chopped-up sharpie marker. To dye the liquid around it, use food 
  674. coloring. 
  675.  
  676. Two suggestions for better performance: 1) Agitation will tend to make 
  677. the mineral oil form small bubbles unlike the large blobs we're all used 
  678. to. The addition of a hydrophobic solvent to the mixture will help the 
  679. lava coalesce. Turpentine and other paint solvents work well. To make 
  680. sure what you use is hydrophobic, put some on your hand (if it's so toxic 
  681. you can't put it on your hand, do you want to put it in a container that 
  682. could break all over your room/desk/office?) and run a little water on 
  683. it. If the water beads, it should work fine. 2) For faster warm-up time, 
  684. add some antifreeze or (I've not tried it) liquid soap. Too much will 
  685. cloud the alcohol. Keep in mind that the addition of these chemicals may 
  686. necessitate your readjusting the 90% to 70% alcohol mixture.
  687.  
  688. Method 2. The "official" way - from a patent [3].
  689.  
  690. The patent itself is not very specific as to proportions of ingredients. 
  691. The solid component (i.e., the waxy-looking stuff that bubbles) is said 
  692. to consist of "a mineral oil such as Ondina 17 (R.T.M.) with a light 
  693. paraffin, carbon tetrachloride, a dye and paraffin wax." 
  694.  
  695. The medium this waxy stuff moves in is roughly 70/30% (by volume) water 
  696. and a liquid which will raise the coefficient of cubic thermal expansion, 
  697. and generally make the whole thing work better. The patent recommends 
  698. propylene glycol for this; however, glycerol, ethylene glycol, and 
  699. polyethylene glycol (aka PEG) are also mentioned as being sufficient.
  700.  
  701. This mixture is placed in a closed container (the "lava lamp shape" is 
  702. not required, although something fairly tall is good) and situated over a 
  703. 40-watt bulb. If the "lava" tends to collect at the top, try putting a 
  704. dimmer on the bulb, or a fan at the top of the container.
  705.  
  706. Method 3. The "less official" way - from Popular Electronics [4]. 
  707.  
  708. Several non-water-soluble chemicals fall under the category of being 
  709. "just a little bit heavier" than water, and are still viscous enough to 
  710. form bubbles, not be terribly poisonous, and have a great enough 
  711. coefficient of expansion. Among them: Benzyl alcohol (Specific Gravity 
  712. 1.043 g/cm3), Cinnamyl Alcohol (SG 1.04), Diethyl phthalate (SG 1.121) 
  713. and Ethyl Salicylate (SG 1.13). [The specific gravity of distilled water 
  714. is 1.000.]
  715.  
  716. Hubscher recommends using Benzyl Alcohol, which is used in the 
  717. manufacture of perfume and (in one of its forms) as a food additive. It can 
  718. be obtained from chemical or laboratory supply houses (check your yellow 
  719. pages); the cheapest I could find it for was $25 for 500 ml (probably 2, 
  720. maybe 3 regular-sized lava lamps' worth). An oil-soluble dye is nice to 
  721. color the "lava"; Hubscher soaked the benzyl in a chopped up red felt-tip 
  722. pen and said it worked great. [Benzyl alcohol is "relatively harmless", 
  723. but don't drink it, and avoid touching & breathing it.] 
  724.  
  725. Hubscher found that the benzyl and the water alone didn't do much, so he 
  726. raised the specific gravity of the water a little bit by adding table 
  727. salt. A 4.8% salt solution (put 48 grams of salt in a container and fill 
  728. it up to one liter with water) has a specific gravity of about 1.032, 
  729. closer to benzyl's 1.043. I find that the salt tends to cloud the water a 
  730. bit.. you might want to experiment with other additives. (Antifreeze? 
  731. Vinegar?)
  732.  
  733. This is put into a closed container and placed above a 40-watt bulb, as 
  734. above. Either way, I would suggest using distilled water and consider 
  735. sterilising the container by immersing it in boiling water for a few 
  736. minutes.. algae growing in lava lamps is not very hip.
  737.  
  738. Caveat: Some of these chemicals are not good for you. Caveat 2: Some of 
  739. these companies are not good for you if they find you've been infringing 
  740. on their patent rights and trying to sell your new line of "magma 
  741. lights." Be careful.
  742.  
  743. 31.4  What is Goretex?.
  744.  
  745. Goretex is a dispersion-polymerised PTFE that is patented by W.L.Gore and
  746. Associates [5]. It is classed as a stretched semi-crystalline film, and is
  747. produced by extrusion under stress ( faster take-up rate than extrusion 
  748. rate ). The extrudate is stretched below the melting temperature, often
  749. in the presence of an aromatic hydrocarbon that swells the amorphous region,
  750. creating porosity. The hydrophobic nature of the PTFE means that liquid
  751. water is repelled from the pores, whereas water vapour can pass through.
  752. It is important to realise that once the PTFE pores are filled with liquid
  753. water, the fabric can allow liquid water to pass though until it is dry
  754. again. Thus Goretex-containing fabrics ( such as Nomex/Goretex - which 
  755. consists of an outer aramid fabric, a central Goretex layer, and a cotton 
  756. backing ) should never be used as protection from chemicals as many will
  757. pass straight through. Any water-miscible solvent ( eg alcohol ) can fill 
  758. the pores, and then liquid water can displace it and continue to rapidly 
  759. pass through until the fabric is fully dried out.
  760.  
  761. 31.5  What causes an automobile airbag to inflate?.
  762.  
  763. The final cause is the production of nitrogen from 10s of grams of sodium
  764. azide, but there are some extra chemicals involved along the way.
  765. Sodium azide is toxic, The airbag inflators are aluminium-encased units
  766. that contain an igniter (squib), gas generating pellets ( or wafers of 
  767. sodium azide propellant ), and filters to screen out combustion products.
  768. The electrical signal ignites a few milligrams of initiator pyrotechnic 
  769. material. The pyrotechnic material then ignites several grams of booster 
  770. material, which ignites the tens of grams of sodium azide, and the azide
  771. burns very rapidly to produce nitrogen gas and sodium.  
  772.  
  773. The sodium azide is pelletised to control the rate of gas generation by
  774. controlling its surface area. The free sodium would form sodium
  775. hydroxide when it contacts  the water in people's noses, mouths, and
  776. eyes so, to prevent this, the manufacturers mix in chemicals that will
  777. produce sodium salts ( silicates, aluminates, borates ) on combustion.
  778.  
  779. Inflator units also often have a layer of matted material of alumina and
  780. silica called Fiberfrax in the particulate filter. The Fiberfrax mat reacts
  781. with most of the remaining free sodium in the generated gas. A typical
  782. reaction pathway is as follows [6];-
  783.  
  784.             300C
  785.    2 NaN3  ------>  2 Na  +  3 N2
  786.   10 Na  +  2 KNO3  ------>  K2O  +  5 Na20  +  N2
  787.   K2O  +  Na2O  +  SiO2  ------>  alkaline silicate glass.     
  788.  
  789. There are apparently also corn starch and talcum powder used as lubricants 
  790. in the bag, and if the bag explodes these are the powders that contaminate 
  791. people - not the toxic chemicals in the inflator.  
  792.  
  793. One article quotes 160 grams  of propellant for a drivers-side bag 
  794. ( 60 litres of gas) and 450 grams for a passengers-side bags 
  795. ( which are 3-5 times larger) . I suspect that may include all of the
  796. above ingredients in the igniter, but not the bag lubricants. 
  797.  
  798. The bag fills until it reaches slightly above atmospheric pressure, and
  799. the manufacturers now control the bag inflation speed to 90-200mph, which 
  800. is less than the early models - because they were too violent and could
  801. harm occupants. The actual sequence goes something like:-
  802.  
  803. 0  - Impact
  804. 15 - 20 milliseconds - sensors signal severe frontal collision.
  805. 18 - 23 milliseconds - pyrotechnic squib fired
  806. 21 - 27 milliseconds - nylon bag inflates
  807. 45 - 50 milliseconds - the driver ( who has moved forward 5 inches)
  808.                        slams into the fully inflated bag
  809. 85 -100 milliseconds - the driver "rides the bag down" as the air
  810.                        cushion deflates.
  811.  
  812. Recently, there have been calls to change the crash testing procedures to
  813. allow the test dummy to be belted in, as seat belt usage is now about 67%.
  814. Having a belted dummy would permit the use of slower inflating airbags, as
  815. the deaths of 30 children ( up to Dec. 1996 ) have been attributed to the 
  816. speed of inflation of the larger passenger-side bag. Early in 1997, the 
  817. US NHTSA finally permitted depowering and/or disabling of passenger-side
  818. airbags. A major airbag supplier is Breed Automotive, Boonton Township, N.J.
  819.  
  820. More details can be found in specialist articles [7-9], and research is 
  821. continuing into alternative inflation mechanisms, such as compressed gases.
  822. There has been extensive work over the last decade on "hybrid" airbag 
  823. systems. These two-stage systems often use cylinders of compressed gas, 
  824. which can be released at ambient temperatures for situations where low-speed 
  825. deployment is appropriate, or the gas can be rapidly heated for high-speed
  826. deployment. 
  827.  
  828. 31.6  How hazardous is spilt mercury?.
  829.  
  830. First step - ensure any broken thermometer actually contained mercury, as 
  831. many only contain alcohol. Mercury has an appreciable vapour pressure at 
  832. ambient temperatures, thus if the mercury has split somewhere warm and with 
  833. limited air circulation, then vapour concentrations can accumulate. When 
  834. mercury drops any distance onto a surface, it splatters into hundreds of 
  835. minute globules, resulting in a large surface area. The major hazard is 
  836. the mercury vapour produced from the spill. Mercury usually ends up in carpet 
  837. or cracks in the surface, and so really is only a significant hazard to 
  838. children crawling around the floor. Do not over-react. If the location is 
  839. relatively cool and well-ventilated, there is little danger to adults. Remove
  840. as much mercury as conveniently possible, and just remember when toddlers 
  841. come visiting that there is a slight potential hazard if the area is not 
  842. well-ventilated and is warm. Obviously, if you increase the ventilation, the 
  843. concentrations will decrease faster. The USA ACGIH TLV for mercury vapour is 
  844. 0.05mg/m3, whilst the DFG ( Germany ) limit is 0.01mg/m3, and the vapour 
  845. pressure of mercury at 25C is 0.0018mm. At 25C, the equilibrium concentration
  846. would be about 20mg/m3, which is 400 times the permitted TLV. It is unlikely 
  847. that this equilibrium would be reached in areas where there are significant 
  848. airflows, unless the mercury had been finely dispersed ( as in a blown 
  849. manometer, or dropped onto a very rough surface ).
  850.  
  851. Mercury vapour is rapidly oxidised to divalent ionic mercury by the tissues 
  852. of the body. Human volunteers exposed to tracer doses of elemental Hg 
  853. demonstrated first order kinetics for excretion with a half life of 60 days. 
  854. The lethal concentration for humans is apparently not known, but acute 
  855. mercurialism has resulted from exposures to concentrations within the range 
  856. 1.2 - 8.5mg/m3. The human organism is able to absorb and excrete substantial 
  857. amounts of mercury, in some cases as high as 2 mg/day without exhibiting
  858. any abnormal symptoms or physical signs [10].
  859.  
  860. The Dietary uptake for mercury was estimated to be :-
  861.       3 micrograms/day Adults
  862.       1    "        " young children
  863.       1    "        "  infants.
  864. and the adult uptake was estimated to comprise of
  865.       0.3 air via Hg(0), 
  866.       0.1 water via Hg(2+), 
  867.       3 food via Hg(CH3Hg+).
  868. ( EPA Mercury Criteria Document 1979 )
  869.  
  870. The CRC Handbook of Laboratory Safety [11] has a chapter on mercury hazards.
  871. A good discussion of mercury ( and other metals ) is found in "Metals and 
  872. their Compounds in the Environment: Occurrence, Analysis and Biological 
  873. Relevance" [12]. 
  874.  
  875. The best method of removing spilt mercury is to use a vacuum with a flask 
  876. and pasteur pipette and chase the little globules around the floor while not 
  877. breathing :-).  Seriously, a simple vacuum system, or even a pasteur pipette, 
  878. can remove most of the large globules. There are special commercial vacuum
  879. cleaners, but never use a household one - as the expelled air will contain
  880. mercury vapour, and the fine metal globules will contaminate the cleaner. 
  881. For nooks, crannies, and cracks  - where the mercury is likely to remain 
  882. undisturbed, you can either apply flowers of sulfur ( fine elemental sulfur )
  883. or zinc dust, with vigorous brushing to facilitate contact, and sweep up the 
  884. excess. If the mercury is going to be re-exposed ( by cleaning, foot traffic 
  885. etc., ), then the zinc dust may be preferred because of an apparently faster 
  886. reaction rate. However, if you have a light-coloured carpet, pouring yellow 
  887. or grey powder is not usually an option, and if the location is warm and not 
  888. well-ventilated near ground level, ensure that toddlers do not spend hours 
  889. every day playing there. 
  890.  
  891. There have been several studies on the best methods to clean up spills, 
  892. including "Vaporisation of Mercury spillage" [13]. The abstract reports " A 
  893. report on an investigation of the problem in laboratories and industries of 
  894. mercury (Hg) vaporisation from small droplets in cracks and floors. The 
  895. efficacy of other fixing agents besides flowers of sulfur was metered. 
  896. The results show that the use of a sulfur, calcium oxide and water mixture 
  897. was the most successful mixture for fixing mercury droplets. A second 
  898. convenient technique is the use of an aerosol hair spray. A chelating soap 
  899. is available in some countries, and this would presumably be the method of 
  900. choice in dealing with spillages."
  901.  
  902. Another article includes methods based on amalgamating with zinc impregnated 
  903. in a metal sponge or scrubbing pad for picking up mercury [14], and another
  904. investigates substances that can be used to remove spilled mercury - such as
  905. iodised activated carbon, copper or zinc powders, molecular sieves of copper 
  906. or silver ions, and silica gel [15]. 
  907.  
  908. Dental amalgam is apparently a finely divided powder of a silver, tin, 
  909. and copper alloy that is mixed with the mercury. The setting time probably
  910. is a function of the slow dissolution of the alloy in the mercury due to
  911. the particle size of the powder used. The mass % of each individual metal 
  912. amalgam when mercury is saturated at 20C is Ag = 0.04, Cu = 0.0032, and 
  913. Sn = 0.62, but I've no idea if that is the ratio actually used. I presume 
  914. the ratio may be varied to obtain the desired physical properties, and that
  915. there would be a theoretical excess of the alloy to ensure minimal free
  916. mercury. The actual amount of mercury vapour from dental amalgam is low, but 
  917. directly measurable by sensitive mercury vapour analysers. The significance 
  918. of mercury vapour from dental amalgam to health has been very controversial, 
  919. however there are now practical alternatives in widespread use.  
  920.  
  921. 31.7  Did molasses really kill 21 people in Boston?. 
  922.  
  923. From: mica@world.std.com (mitchell swartz) Date: Sun, 4 Jul 1993
  924. Subject: Molasses Accident
  925.  [excerpt from the Book of Lists #3 (Wallace et alia)]
  926.  
  927.   THE GREAT BOSTON MOLASSES FLOOD
  928.   "On Jan. 15, 1919, the workers and residents of Boston's North End, mostly 
  929.   Irish and Italian, were out enjoying the noontime sun of an unseasonably 
  930.   warm day. Suddenly, with only a low rumble of warning, the huge cast-iron 
  931.   tank of the Purity Distilling Company burst open and a great wave of raw 
  932.   black molasses, two stories high, poured down Commercial Street and oozed 
  933.   into the adjacent waterfront area. Neither pedestrians nor horse-drawn 
  934.   wagons could outrun it. Two million gallons of molasses, originally 
  935.   destined for rum, engulfed scores of persons - 21 men, women, and children 
  936.   died of drowning or suffocation, while another 150 were injured. Buildings 
  937.   crumbled, and an elevated train track collapsed. Those horses not
  938.   completely swallowed up were so trapped in the goo they had to be shot by 
  939.   the police. Sightseers who came to see the chaos couldn't help but walk in 
  940.   the molasses. On their way home they spread the sticky substance throughout 
  941.   the city. Boston smelled of molasses for a week, and the harbor ran brown 
  942.   until summer."
  943.    
  944.   From this we see 21 people were killed, the half life was fairly short for 
  945.   the contaminants. Long term effects were probably negligible.
  946.  
  947. 31.8  What is the active ingredient in mothballs?.
  948.  
  949. Mothballs were originally made from camphor ( C10H16O, [76-22-2], MP 176C,
  950. BP 204C ), or naphthalene ( C10H8, [91-20-3],  MP 82C, BP 218C ),
  951. but para-dichlorobenzene ( C6H4Cl2, [106-46-7], MP 55C, BP 173C ), became 
  952. cheaply available as an unwanted by-product of ortho-dichlorobenzene
  953. production, and thus became the most common active ingredient. However 
  954. para-dichlorobenzene is also a suspected carcinogen, and naphthalene 
  955. has again become a common active ingredient. Consequently, the best
  956. method of finding the active ingredient is to read the label on the packet,
  957. Note that adding mothballs to modern gasolines will not increase the octane 
  958. rating of the fuel - refer to the Gasoline FAQ posted in rec.autos.tech for 
  959. more details.  
  960.  
  961. 31.9  Is vinegar just acetic acid?.
  962.  
  963. Most countries have food regulations that permit the use of acetic acid as 
  964. clearly-labelled "synthetic white vinegar". Most vinegars are actually malt 
  965. vinegars ( fermented ), and synthetic acetic acid is not allowed to be sold 
  966. as Malt Vinegar. Most natural, unfortified, malt vinegars are appropriately 
  967. labelled. The classification can get rather messy when bulk suppliers dilute 
  968. malt vinegar concentrates with acetic acid, which itself could either be 
  969. synthetic, or from another fermentation process. Regulations usually require 
  970. any addition of acetic acid to be clearly marked on the label, and the 
  971. product is not normally legally sold as pure "malt vinegar". The amount of 
  972. acetic acid in "natural" malt, cider, or wine vinegars usually ranges from 
  973. 4% - 6%, but some examples can have up to approximately 20%. Vinegar is 
  974. produced by the exothermic aerobic bacterial oxidation of ethanol to acetic 
  975. acid via acetaldehyde.
  976.  
  977. 31.10 What are the different grades of laboratory water?. 
  978.  
  979. There are several techniques used in chemical laboratories to obtain the
  980. required purity of water. There are several grading systems for water, but
  981. the most well-known is the ASTM system, although certain applications (HPLC)
  982. often require purer water than ASTM Type I, consequently additional
  983. treatments such as ultrafiltration and UV oxidation may also be used to 
  984. reduce concentrations of uncontrolled impurities, such as organics.
  985.  
  986. ASTM Type                                    I         II        III
  987. Specific Conductance   (max. uMhos/cm.)    <0.06      <1.0       <1.0
  988. Specific Resistance    (min. Mohms/cm.)   >16.67      >1.0       >1.0
  989. Total Matter           ( max. mg/l )       <0.1       <0.1       <1.0
  990. Silicate               ( max. mg/l )        N/D        N/D        0.01
  991. KMnO4 Reduction        ( min. mins )      >60.0      >60.0      >10.0
  992.  
  993. Type                                         A          B          C
  994. Colony Count (Colony forming units/ml)    0 Bacteria   <10      <100 
  995. pH                                          NA         NA       6.2-7.5 
  996.  
  997. The techniques to purify natural waters - which may be almost saturated 
  998. with some contaminants - are frequently used in combination to obtain high 
  999. purity laboratory water. Some purification techniques use less energy than 
  1000. distilling the water, and may be used in combination where large volumes of 
  1001. "pure" water are required. The design of purified water systems, and the
  1002. materials used for construction, are selected according to the important
  1003. contaminants of the water. For some applications, 316L stainless steel may 
  1004. be required, whereas other applications may require polyvinylidene difluoride
  1005. and polytetrafluoroethylene materials. Systems are carefully designed to 
  1006. minimise the volume of water remaining static and in "dead ends" - where 
  1007. microbes could grow.    
  1008.  
  1009. The first treatment is usually a coarse physical filtration using a depth
  1010. filter that can remove undissolved large particles and other insoluble
  1011. material in the feed water. 
  1012.  
  1013. For smaller volumes, distillation is the pretreatment method of choice.
  1014. Distilled water is water that has been boiled in a still and the vapour 
  1015. condensed to obtained distilled water. While many impurities are removed 
  1016. ( especially dissolved and undissolved inorganics that make water "hard", 
  1017. most organisms, etc. ), some impurities do remain ( volatile and some 
  1018. non-volatile organics, dissolved gases, and trace quantities of fine 
  1019. particulates ). Distilled water has lost many of the ionic species that 
  1020. provided a pH buffer effect so, as it dissolves some CO2 from the air 
  1021. during condensation and storage, the pH moves to around 5.5 ( usually from 
  1022. close to the neutral pH of 7.0 ). Distilled water has the vast majority of 
  1023. impurities removed, but often those residual compounds still make it 
  1024. unsuitable for demanding applications, so there are alternative methods of 
  1025. purifying water to remove specific undesirable species. 
  1026.  
  1027. The next common treatment is ion-exchange, which involves using a bed of 
  1028. resin that exchanges with unwanted dissolved species, such as those that 
  1029. cause "hardness" ( calcium, magnesium ) in water. Two resins are used, one 
  1030. that exchanges anions ( usually a strong anion exchanger such as Amberlite 
  1031. IRA-400 - a quaternary ammonium compound on polystyrene ), and one that 
  1032. exchanges cations ( usually a strong cation exchanger such as Amberlite 
  1033. IR-120 - a sulfonic acid compound on polystyrene ). These resins can also 
  1034. be combined in "mixed bed" resins, such as Amberlite MB-1A, which is a 
  1035. mixture of IRA-400 [OH- form] and IR-120 [H+ form]. The porosity of the 
  1036. polystyrene-based resin is dependant on the amount of cross-linking, which
  1037. is, in turn, dependant on the proportion of divinyl benzene used in the
  1038. process. Unfortunately, selectivity of a highly porous resin is inferior
  1039. to that of a less porous, more cross-linked, resin, so a balance between
  1040. the rate of exchange and the selectivity is sought. Agarose, cellulose, 
  1041. or dextran can be used in place of the polystyrene base. Sophisticated
  1042. systems can have many beds in sequence, using both stronger and weaker
  1043. ion exchange resins. 
  1044.  
  1045. The exchange potential for ions depends on a number of factors, including 
  1046. molecular size, valency and concentration. In dilute solutions, exchange 
  1047. potentials increase with increasing valency, but in concentrated solutions 
  1048. the effect of valency is reversed, favouring the absorption of univalent 
  1049. ions rather than polyvalent ions. This explains why calcium and magnesium 
  1050. can be strongly absorbed from feedwater in softening processes, but then are 
  1051. easily removed from the ion exchange resin when concentrated sodium chloride 
  1052. is used as regenerant. In dilute solutions, the order of common anion 
  1053. exchange potentials on strong anion exchangers is sulfate > chromate > 
  1054. citrate > nitrate > phosphate > iodide > chloride. In dilute solutions, the 
  1055. order of common cation exchange potentials on strong cation exchangers is 
  1056. Fe3+ > Al2+ > Ba2+ > Pb2+ > Ca2+ > Cu2+ > Zn2+ = Mg2+ > NH4+ = K+ > Na+ > 
  1057. H+ > Hg2+.          
  1058.  
  1059. There are two forms of ion exchange for water purification. To "deionise"
  1060. feed water, the resins are in the OH- ( anion exchanger ) and H+ ( cation
  1061. exchanger ) forms.  If sodium chloride was present in the feed water, the 
  1062. sodium ion would displace the hydrogen ion from the cation resin, while 
  1063. the chloride would displace the hydroxyl ion from the anion resin. The 
  1064. displaced ions can combine to form water. Separate beds of resins can be 
  1065. regenerated using 1 Normal acid ( HCl or H2SO4 ) for strongly-acid cation 
  1066. resins, or 1 Normal sodium hydroxide for strongly-basic anion resins.
  1067. The amount of regenerant is approximately 150 - 500% of the theoretical
  1068. exchange capacity of the bed.
  1069.  
  1070. If the intention is to merely "soften" the feed water to reduce deposits, 
  1071. the beds can be in the Cl- ( anion exchanger ) and Na+ ( cation exchanger ) 
  1072. forms. These are replaced by the dilute polyvalent species in the water that 
  1073. rapidly form undesirable insoluble deposits as process water evaporates, 
  1074. like calcium, magnesium and sulfate. The beds can be regenerated by passing 
  1075. highly concentrated salt ( sodium chloride ) solutions through them until 
  1076. all the polyvalent ions on the resins have been replaced. This technique 
  1077. produces "soft" process water that used in industry.  
  1078.  
  1079. When a dilute feedwater solution containing salt passes through a cation 
  1080. exchange resin bed in the hydrogen form, the reaction that occurs is:-
  1081. Na+  +  Cl  +  R.SO3H  <=>  H+  +  Cl-  +  R.SO3Na
  1082. Obviously, the acidity of the water strongly increases as it moves down the
  1083. bed, which inhibits the exchange process. If a mixed bed is used, the 
  1084. products soon encounter the anion exchange resin and are also removed:-
  1085. H+  +  Cl-  +  R.NH2  <=>  R.NH3  +  Cl-
  1086. H+  +  Cl-  +  R.NH3OH  <=>  R.NH3  +  Cl-  +  H2O
  1087. Mixed bed resins are usually more efficient than equivalent single beds.
  1088.  
  1089. If the water feeding the resin beds has already been distilled ( very common 
  1090. in laboratories - the resin beds then last much, much longer, and the 
  1091. distillation has also removed other impurities  ), then the water is called 
  1092. "distilled and deionised". Laboratory water that has had most of the ionic 
  1093. impurities removed will have a high electrical resistance, and is often known 
  1094. as "18.3 megohm" water because the electrical resistance is >18,300,000 
  1095. ohm/cm, but note that non-ionic impurities may still be present.    
  1096.  
  1097. An alternative process that has increasingly replaced ion-exchange is 
  1098. reverse-osmosis, which uses osmotic pressure across special membranes to 
  1099. remove most of the impurities. It is called reverse-osmosis because the feed 
  1100. side is pressurised to drive the purified water through the membrane in the 
  1101. opposite direction than would occur if both sides were the same pressure. 
  1102. The two common membrane materials are cellulose acetate or polysulfone 
  1103. coated with polyamine, and typical rejection characteristics are:- 
  1104.                        Monovalent    Divalent    Pyrogens, Bacteria
  1105.                          Ions          Ions      Organics > 200 MW
  1106. Cellulose Acetate        >88%          >94%            >99%  
  1107. Polyamine                >90%          >95%            >99%
  1108.  
  1109. The huge advantage of RO is that membranes can easily be maintained 
  1110. ( occasional chemical sterilisations ), are largely self-cleaning, and can 
  1111. produce large amounts of water with no chemical regeneration and minimal 
  1112. energy requirements - just the pressure ( 200 psi ) required to push the 
  1113. water along the membrane surfaces and improve the osmotic yield. RO is 
  1114. commonly used as a pretreatment stage when very pure water is required, and 
  1115. for situations where large volumes of reasonably pure water are required. 
  1116.  
  1117. Organic species and free chlorine are usually removed from water by passing 
  1118. the water through a bed of activated carbon where they form a low energy 
  1119. chemical link with the carbon. These filters are often installed upstream 
  1120. of the ion-exchange and reverse osmosis stages to protect them from chlorine 
  1121. and organics in the feed water. Polyamine RO membranes require feedwater 
  1122. containing <0.1ppm free chlorine, however cellulose acetate membranes can
  1123. tolerate up to 1.5ppm free chlorine.   
  1124.  
  1125. The final stage of producing "pure" laboratory water usually involves 
  1126. passing the deionised  water through a 0.22um filter, which is sufficiently 
  1127. small to remove the vast majority of organisms ( the smallest known 
  1128. bacterium is around 0.3um ), thus sterilising the water. 
  1129.  
  1130. Recently, ultrafiltration has become popular as a means of reducing pyrogens 
  1131. ( they are usually lipopolysaccharides from the degradation of gram negative 
  1132. bacteria ). They are measured by either injecting a sample into test rabbits
  1133. and measuring body temperature increase or by the more sensitive Limulus
  1134. Amebocyte Lysate (LAL) test. The internal membrane of an ultrafiltration
  1135. system has a pore size of <0.005um. This will remove most particles, 
  1136. colloidal silica, and high MW organics such as pyrogens, down to about 
  1137. 10,000MW. These are usually for cell-culture and DNA research, and are 
  1138. located at the point of use, however the ultrafiltration unit has to be 
  1139. regularly sanitized to prevent microbial growth.
  1140.  
  1141. Ultraviolet irradiation can be used as a bactericide (254nm) or to destroy
  1142. organics by photo-oxidation (185nm). The water is exposed to UV for periods 
  1143. up to 30 minutes, and the UV interacts with dissolved oxygen to produce 
  1144. ozone. The ozone promotes hydroxyl radical formation, which result in the 
  1145. destruction of organic material. Usually a high intensity, quartz mercury 
  1146. vapour lamp is used, and is followed by an ion exchange and organic scavenger
  1147. cartridge to collect decomposition products. The product water is very low in
  1148. total organic carbon.
  1149.  
  1150. Dissolved gases can be removed by passing the water through a vacuum 
  1151. degassing module that utilises an inert, gas-permeable membrane surrounded 
  1152. by a vacuum to remove dissolved gases from the water.
  1153.  
  1154. The purest laboratory water is usually obtained after passing through a 
  1155. system that can include reverse osmosis or distillation of the feed water, 
  1156. followed by activated carbon to remove chlorine and organics. The water is 
  1157. passed through ion exchange resins to remove inorganic ions, through a 
  1158. UV oxidation stage, followed by a combined ion exchange and organic scavenger 
  1159. cartridge, and finally through a 0.22um filter. An additional stage of vacuum
  1160. degassing to remove dissolved gases may be added for some applications - such
  1161. as for semiconductor production. 
  1162.  
  1163. These pure water systems are regarded as " point-of-use ", because it is 
  1164. extremely difficult to prevent the reintroduction of contamination during
  1165. storage and distribution. The water is commonly known as " 18.3 Megohm " 
  1166. water, because it has a specific resistance greater than 18.3 Megohm-cm 
  1167. at 25C. It also contains < 5 ppb of total organic carbon, < 10 ppb of total 
  1168. dissolved solids, and < 1 colony forming unit / mL of micro-organisms.
  1169.   
  1170. Details of laboratory and industrial water-purification processes are 
  1171. available in the catalogues of equipment suppliers such as Barnstead [16]
  1172. and Millipore [17].  
  1173.  
  1174.