home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1997 December / Internet_Info_CD-ROM_Walnut_Creek_December_1997.iso / faqs / sci / chem / Sci.chem_FAQ_-_Part_6_of_7 < prev    next >
Internet Message Format  |  1997-10-05  |  66KB

  1. From: B.Hamilton@irl.cri.nz (Bruce Hamilton)
  2. Newsgroups: sci.chem,sci.answers,news.answers
  3. Approved: news-answers-request@mit.edu
  4. Subject: Sci.chem FAQ - Part 6 of 7
  5. Followup-To: sci.chem
  6. Date: Sat, 04 Oct 1997 19:37:24 GMT
  7. Organization: Industrial Research Limited
  8. Expires: 2 November 1997 00:00:01 GMT
  9. Message-ID: <3436964f.6731118@Newshost.comnet.co.nz>
  10. X-Newsreader: Forte Free Agent 1.1/32.230
  11. NNTP-Posting-Host: ras2.wgtn.comnet.co.nz
  12. Lines: 1154
  13. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!news-out.internetmci.com!newsfeed.internetmci.com!206.229.87.25!news-peer.sprintlink.net!news.sprintlink.net!Sprint!uunet!in3.uu.net!munnari.OZ.AU!comp.vuw.ac.nz!comnet.co.nz!ras2.wgtn.comnet.co.nz
  14. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.chem:104304 sci.answers:7177 news.answers:113855
  15.  
  16. Archive-name: sci/chem-faq/part6
  17. Posting-Frequency: monthly
  18. Last-modified: 2 October 1997
  19. Version: 1.16
  20.  
  21. Subject: 26. Electrochemical Techniques
  22.      
  23. 26.1  What is pH?
  24.  
  25. The pH scale determines the degree of acidity or alkalinity of a solution,
  26. but as it involves a single ion activity it can not be measured directly.
  27.  
  28. pH = - log10 ( gamma H  x  m H )
  29.  
  30. where gamma H = hydrogen ion single ion activity coefficient
  31.           m H = molality of the hydrogen ion.
  32.  
  33. As pH can not be directly measured, it is defined operationally according to
  34. the method used to determine it. IUPAC recommend several standardised methods
  35. for the determination of pH in solution in aqueous solutions. There are 
  36. seven primary reference standards that can be used, including 0.05 mol/kg
  37. potassium hydrogen phthalate as the Reference Value Standard. There is an
  38. ongoing debate concerning the relative merits of having a multiple primary
  39. standard scale ( that defines pH using several primary standards, and their
  40. values are determined using a cell without a liquid junction ) or a single
  41. primary standard ( that requires a cell with a liquid junction ). Interested
  42. readers can obtain further information on the debate in [1]. Bates [2], is a 
  43. popular text covering both theory and practise of pH measurement. 
  44.    
  45. 26.2  How do pH electrodes work?     
  46.  
  47. Contributed by Paul Willems <Paul.Willems@rug.ac.be>, and slightly modified 
  48. by Bruce Hamilton.
  49.  
  50. The most common type of pH electrodes are the "glass" electrodes. They
  51. consist of a special glass membrane that is sensitive to variations in pH, 
  52. as pH variation also changes the electrical potential across the glass. In 
  53. order to be able to measure this potential, a second electrode, the 
  54. "reference" electrode, is required. Both electrodes can be present in a 
  55. "combined" pH electrode, or two physically-separate electrodes can be used.
  56.  
  57. The glass electrode consists of a glass shaft on which a bulb of a special
  58. glass is mounted. The inner is usually filled with 3 Mol/Litre aqueous KCl
  59. and sealed. Electrical contact is provided by a silver wire immersed in the 
  60. KCl.
  61.  
  62. For "combined" electrodes, the glass electrode is surrounded by a concentric
  63. reference electrode. The reference electrode consists of a silver wire in 
  64. contact with the almost-insoluble AgCl. The electrical contact with the meter
  65. is through the silver wire. Contact with the solution being measured is via
  66. a KCl filling solution. To minimise mixing of the solution to be measured and
  67. the filling solution, a porous seal, the diaphragm, is used. This is usually
  68. a small glass sinter, however other methods which allow a slow mixing contact
  69. can also be used, especially for samples with low ionic strength. Besides the
  70. "normal" KCl solutions, often solutions with an increased viscosity, and 
  71. hence lower mixing rate are used. A gel filling can also be used, which 
  72. eliminates the necessity for slow mixing devices. 
  73.  
  74. In contact with different pH solutions a typical glass electrode gives, when 
  75. compared to the reference electrode, a voltage of about 0 mV at pH 7, 
  76. increasing by 59 mV per pH unit above 7, or decreasing by 59 mV per pH unit 
  77. below 7. Both the slope, and the intercept of the curve between pH and 
  78. generated potential, are temperature dependent. The potential of the 
  79. electrode is approximated by the Nernst equation :
  80.  
  81. E = E0 - RT log [H+] = E0 + RT pH
  82. Where E is the generated potential, E0 is a constant, R is universal
  83. gas constant and T is the temperature in degrees Kelvin.
  84.  
  85. All pH-sensitive glasses are also susceptible to other ions, such as Na or K. 
  86. This requires a correction in the above equation, so the relationship between 
  87. pH and generated voltage becomes nonlinear at high pH values. The slope tends
  88. to diminish both as the electrode ages, and at high pH. As the electrode has
  89. a very high impedance, typically 250 Megohms to 1 Gigohm, it is necessary to
  90. use a very high impedance measuring instrument.
  91.  
  92. The reference electrode has a fairly constant potential, but it is 
  93. temperature dependent, and also varies with activity of the silver ions in 
  94. the reference electrode. This occurs if a contaminant enters the reference
  95. electrode.
  96.  
  97. Calibration
  98.  
  99. From the preceding, it is obvious that frequent calibration and adjustment of
  100. pH meters are necessary. To check the pH meter, at least two standard buffer 
  101. solutions are used to cover the range of interest. The pH meter should be 
  102. on for at least 30 minutes prior to calibration to ensure that all components
  103. are at thermal equilibrium, and calibration solutions should be immersed for
  104. at least a minute to ensure equilibrium. 
  105.  
  106. First use the buffer at pH 7, and adjust the zero (or the intercept). 
  107. Then, after thorough rinsing with water, use the other buffer to adjust the 
  108. slope. This cycle in repeated at least once, or until no further adjustments 
  109. are necessary. Many modern pH meters have an automatic calibration feature,
  110. which requires each buffer only once.
  111.  
  112. Errors
  113.  
  114. People assume pH measurements are accurate, however many potential errors 
  115. exist. There can be errors caused by the pH-sensitive glass, reference 
  116. electrode, electrical components, as well as externally generated errors.
  117.  
  118. Glass Electrode Errors
  119.  
  120. The pH-sensitive glass can be damaged. Major cracks are obvious, but minor
  121. damage can be difficult to detect. If the internal liquid of the pH-measuring
  122. electrode and the external environment are connected, a pH value close to 7 
  123. will be obtained. It will not change when the electrode is immersed in a 
  124. known solution of different pH. The electrical resistance of the glass 
  125. membrane will also be low, often below 1 megohm, and it must be replaced.
  126.  
  127. Similar results occur if the glass wall between the inner and outer part of 
  128. a combined electrode breaks. This may occur if the outer part is plastic.
  129. The inner part can crack without any external signs. The electrical 
  130. resistivity over the glass electrode is intact, but actual measuring between
  131. both electrodes reveals a low resistivity. The electrode must be replaced.
  132.  
  133. The glass can wear out. This gives slow response times, as well as a lower 
  134. slope for the mV versus pH curve. To rejuvenate, immerse the electrode in a 
  135. 3 Molar KCl solution at 55 degrees Celsius for 5 hours. If this does not 
  136. solve the problem, try removing a thin layer of the glass by immersion for
  137. two minutes in a mixture of HCl and KF (be careful, do not breathe the fumes,
  138. and wear gloves). The electrode is then immersed for two more minutes in HCl,
  139. and rinsed thoroughly. As an outer layer of glass has been removed, the new 
  140. surface will be like a new electrode, however the thinner glass will result
  141. in a shorter electrode life. Frequent recalibration will be required for
  142. several days.
  143.  
  144. The glass can be dirty. A deposit on the glass will slow the response time,
  145. make the response sensitive to agitation and ionic strength, and also give 
  146. the pH of the film, not the sample solution. If the deposit is known, use a
  147. appropriate solvent to remove it, and rehydrate the electrode in 3M KCl.
  148. If the deposit is not known, first immerse the electrode for a few minutes 
  149. in a strongly alkaline solution, rinse thoroughly, and immerse it in a 
  150. strong acid (HCl) solution for several minutes. If this does not help, try 
  151. using pepsin in HCl. If still unsuccessful, use the above HCl/KF method. 
  152.  
  153. Reference Electrode Errors
  154.  
  155. The diaphragm of the reference can become blocked. This is seen as unstable
  156. or wrong pH measurements. If the electrical resistivity of the diaphragm is
  157. measured, high values are reported (Most multimeters will give an over-range 
  158. error). The most common reason is that AgS formed a precipitate in the 
  159. diaphragm. The diaphragm will be black in this case. The electrode should be 
  160. immersed in a solution of acidic thiourea until the diaphragm is white, and
  161. then replace the internal filling liquid of the reference electrode 
  162.  
  163. There is no contact across the diaphragm, due to air bubbles. This appears
  164. as if the diaphragm were blocked, except that the diaphragm is white. Ensure 
  165. that the filling solution level in the reference electrode is always well
  166. above the sample, so that liquid is always slowly flowing from the reference 
  167. electrode towards the sample.
  168.  
  169. The electrode filling solution is contaminated. This appears as unstable or 
  170. wrong pH measurements. Often the 0mV pH differs considerably from pH 7. The 
  171. diaphragm has its normal colour and the electrical resistivity is normal. 
  172. However, the solution often becomes contaminated due to low filling solution 
  173. levels, and air bubbles may also appear in the diaphragm, which obviously
  174. affects electrical resistivity. Replacing the reference filling solution 
  175. several times should solve the problem, but the electrode may have been 
  176. permanently damaged. The problem can be avoided by choosing gel-filled 
  177. reference electrodes, double-junction electrodes, or ensuring there is an 
  178. outflow of reference filling solution towards the sample.
  179.  
  180. The electrode was filled with the wrong reference solution. This appears as
  181. as displaced pH measurements. Flush and replace the reference liquid.
  182.  
  183. Electrical errors 
  184.  
  185. Condensation or sample contamination of the electrode connecting cable. This 
  186. appears as an almost-constant measurement of about pH 7, even when the pH 
  187. electrode is disconnected from the cable, or as a pH which changes less than 
  188. it should, when tested with two standard solutions. If the cable is 
  189. disconnected from the meter, the pH will start to drift.
  190.  
  191. There is a short circuit in the cable. The symptoms are similar to the above
  192. case, except that bending the cable may create sharp, spurious readings. In 
  193. most pH cables, between the two copper conductors there are two layers which 
  194. appear to be insulators. The inner layer is an insulator, whereas the outer 
  195. layer is a conductor to avoid trace electrical effects. If this outer layer 
  196. does contact the inner conductor, there will be a short circuit. Replace 
  197. suspect cables.
  198.  
  199. The input stage of the meter is contaminated with conducting liquid. The 
  200. symptoms are the same as above, except that removing the cable has no
  201. effect. Closely examine the input stage of the meter for liquid or deposits. 
  202. If present, rinse with distilled water, then ethanol, and dry thoroughly.
  203.  
  204. The input stage of the meter is faulty. This gives random measurements.
  205. Shorting both input wires does not make any difference. Repair the meter.
  206.  
  207. The input stage appears faulty. Shorting both input wires gives a stable
  208. pH measurement of about 7. The meter may be faulty, but probably the problem 
  209. is elsewhere in the electrical circuit.
  210.  
  211. Externally-generated Errors
  212.  
  213. If a significant flow of liquid passes the electrode, then there can
  214. be a minor electrical effect. This generates a potential on the glass
  215. membrane, which is superimposed on the actual pH measurement. This effect
  216. becomes negligible for highly-conducting liquids. It is seldom observed.
  217. If the trace electric effect does influence pH measurements, the addition 
  218. of a little salt to increase the conductivity, or changing the flux of 
  219. liquid around the electrode, should solve the problem.
  220.  
  221. Ground loops and spurious electrical currents may generate unexpected 
  222. electrical signals. Such signals can strongly influence pH measurements. 
  223. A pH reading in the range of -15 to +20 is possible, even if the pH is 7. 
  224. Ground loops can be eliminated by grounding the system according to the
  225. manufacturer's instructions, and ensuring insulation is in good condition. 
  226. Often these problems can be extremely difficult to detect and remedy.
  227.  
  228. Low ionic strength samples can be affected by electrolyte from the electrode, 
  229. and special electrodes are available.
  230.  
  231. 26.3  What are ion-selective electrodes? 
  232.  
  233. Ion selective electrodes are electrochemical sensors whose potential varies
  234. with the logarithm of the activity of an ion in solution. Available types:
  235. 1. The membrane is a single compound, or a homogeneous mixture of compounds.
  236. 2. The membrane is a thin glass whose chemical composition determines the 
  237.    response to specific ions.
  238. 3. The support, containing an ionic species, or uncharged species, forms the
  239.    membrane. The support can be solid or porous.  
  240. Popular texts on applications of ion-selective electrodes include 
  241. "Ion-Selective Electrodes in Analytical Chemistry" [3], and "Ion-selective
  242. Electrode Methodology" [4].
  243.  
  244. 26.4  Who supplies pH and ion-selective electrodes?
  245.  
  246. The best known manufacturer of ion-selective electrodes is Orion Research. 
  247. There are several pH electrode manufacturers, including Radiometer and
  248. Metrohm.
  249.  
  250. ------------------------------
  251.  
  252. Subject: 27. Fuel Chemistry
  253.  
  254. 27.1  Where does crude oil come from?.
  255.  
  256. The generally-accepted origin of crude oil is from plant life up to 3 
  257. billion years ago, but predominantly from 100 to 600 million years ago [1]. 
  258. "Dead vegetarian dino dinner" is more correct than "dead dinos".
  259. The molecular structure of the hydrocarbons and other compounds present 
  260. in fossil fuels can be linked to the leaf waxes and other plant molecules of 
  261. marine and terrestrial plants believed to exist during that era. There are 
  262. various biogenic marker chemicals such as isoprenoids from terpenes, 
  263. porphyrins and aromatics from natural pigments, pristane and phytane from 
  264. the hydrolysis of chlorophyll, and normal alkanes from waxes, whose size 
  265. and shape can not be explained by known geological processes [2]. The 
  266. presence of optical activity and the carbon isotopic ratios also indicate a 
  267. biological origin [3]. There is another hypothesis that suggests crude oil 
  268. is derived from methane from the earth's interior. The current main 
  269. proponent of this abiotic theory is Thomas Gold, however abiotic and
  270. extraterrestrial origins for fossil fuels were also considered at the turn 
  271. of the century, and were discarded then. A large amount of additional
  272. evidence for the biological origin of crude oil has accumulated, however
  273. Professor Gold still actively promotes his theory worldwide, even though
  274. it does not account for the location and composition of all crude oils.  
  275.  
  276. 27.2  What are CNG/LPG/gasoline/kerosine/diesel?. 
  277.  
  278. Crude oil consists mainly of hydrocarbons with carbon numbers between one and
  279. forty. The petroleum refinery takes this product and refines it into several
  280. fuel fractions that are optimised for their intended application. For spark
  281. ignition engines, the very volatile and branched chain alkane hydrocarbons
  282. have desirable combustion properties, and several fractions are produced.
  283.           
  284. CNG ( Compressed Natural Gas ) is usually around 70-90% methane with 10-20% 
  285. ethane, 2-8% propanes, and decreasing quantities of the higher HCs up to 
  286. pentane.  The major disadvantage of compressed gaseous fuels is the reduced 
  287. range. Vehicles may have between one to three cylinders ( 25 MPa, 90-120 
  288. litre capacity), and they usually provide about 50% of the gasoline range. 
  289.  
  290. LPG ( Liquefied Petroleum Gas ) is predominantly propane with iso-butane
  291. and n-butane. It has one major advantage over CNG, the tanks do not have
  292. to be high pressure, and the fuel is stored as a liquid. The fuel offers   
  293. most of the environmental benefits of CNG, including high octane - which
  294. means higher compression, more efficient, engines can be used. Approximately 
  295. 20-25% more fuel than gasoline is required, unless the engine is optimised 
  296. ( CR 12:1 ) for LPG, in which case there is no decrease in power or any 
  297. significant increase in fuel consumption [4,5].
  298.  
  299. Gasoline contains over 500 hydrocarbons that may have between 3 to 12 
  300. carbons, and gasoline used to have a boiling range from 30C to 220C at 
  301. atmospheric pressure. The boiling range is narrowing as the initial boiling 
  302. point is increasing, and the final boiling point is decreasing, both 
  303. changes are for environmental reasons. A detailed description of the 
  304. composition of gasoline, along with the properties and compositions of CNG, 
  305. LPG, and oxygenates can be found in the Gasoline FAQ, which is posted monthly 
  306. to rec.autos.tech.
  307.  
  308. Kerosine is a hydrocarbon fraction that typically distils between 170-270C
  309. (narrow cut kerosine, or Jet A1) or 100-250C ( wide cut kerosine, or JP-4 ). 
  310. It contains around 20% of aromatics, however the aromatic content will be 
  311. reduced for high quality lighting kerosines, as the aromatics reduce the 
  312. smoke point. The major use for kerosines today is as aviation turbine (jet) 
  313. fuels. Special properties are required for that application, including high 
  314. flash point for safe refuelling ( 38C for Jet A1 ), low freezing point for
  315. high altitude flying ( -47C for Jet A1 ), and good water separation 
  316. characteristics.  Details can be found in any petroleum refining text and
  317. Kirk Othmer.
  318.  
  319. Diesel is used in compression ignition engines, and is a hydrocarbon fraction 
  320. that typically distils between 250-380C. Diesel engines use the Cetane 
  321. (n-hexadecane) rating to assess ignition delay. Normal alkanes have a high 
  322. cetane rating, ( nC16=100 ) whereas aromatics ( alpha methylnaphthalene = 0 ) 
  323. and iso-alkanes ( 2,2,4,4,6,8,8-hexamethylnonane = 15 ) have low ratings, 
  324. which represent long ignition delays. Because of the size of the hydrocarbons,
  325. the low temperature flow properties control the composition of diesel, and
  326. additives are used to prevent filter blocking in cooler temperatures. There
  327. are usually summer and winter grades. Environmental legislation is reducing
  328. the amount of aromatics and sulfur permitted in diesel, and the emission of
  329. small particulates ( diameters of <10um ) that are considered possibly
  330. carcinogenic, and are known to cause other adverse health effects. Details 
  331. can be found in any petroleum refining text and Kirk Othmer.
  332.  
  333. 27.3  What are oxygenates?.
  334.  
  335. Oxygenates are just pre-used hydrocarbons :-). They contain oxygen, which can 
  336. not provide energy, but their structure provides a reasonable anti-knock 
  337. value, thus they are good substitutes for aromatics, and they may also reduce
  338. the smog-forming tendencies of the exhaust gases [6]. Most oxygenates used 
  339. in gasolines are either alcohols ( Cx-O-H ) or ethers (Cx-O-Cy), and contain 
  340. 1 to 6 carbons. Alcohols have been used in gasolines since the 1930s, and
  341. MTBE was first used in commercial gasolines in Italy in 1973, and was first
  342. used in the US by ARCO in 1979. The relative advantages of aromatics and 
  343. oxygenates as environmentally-friendly and low toxicity octane-enhancers are 
  344. still being researched.
  345.  
  346.     Ethanol                                  C-C-O-H      C2H5OH
  347.   
  348.                                                C
  349.                                                |
  350.     Methyl tertiary butyl ether              C-C-O-C      C4H9OCH3
  351.     (aka tertiary butyl methyl ether )         |
  352.                                                C
  353.  
  354. They can be produced from fossil fuels eg methanol (MeOH), methyl tertiary 
  355. butyl ether (MTBE), tertiary amyl methyl ether (TAME), or from biomass, eg 
  356. ethanol(EtOH), ethyl tertiary butyl ether (ETBE)). MTBE is produced by 
  357. reacting methanol ( from natural gas ) with isobutylene in the liquid phase 
  358. over an acidic ion-exchange resin catalyst at 100C. The isobutylene was 
  359. initially from refinery catalytic crackers or petrochemical olefin plants, 
  360. but these days larger plants produce it from butanes.
  361.  
  362. Oxygenates have significantly different physical properties to hydrocarbons,
  363. and the levels that can be added to gasolines are controlled by the EPA in
  364. the US, with waivers being granted for some combinations. Initially the
  365. oxygenates were added to hydrocarbon fractions that were slightly-modified
  366. unleaded gasoline fractions, and these were commonly known as "oxygenated"
  367. gasolines. In 1995, the hydrocarbon fraction was significantly modified, and
  368. these gasolines are called "reformulated gasolines" ( RFGs ). The change to
  369. reformulated gasoline requires oxygenates to provide octane, but also that 
  370. the hydrocarbon composition of RFG must be significantly more modified than 
  371. the existing oxygenated gasolines to reduce unsaturates, volatility, benzene,
  372. and the reactivity of emissions. 
  373.  
  374. Oxygenates that are added to gasoline function in two ways. Firstly they
  375. have high blending octane, and so can replace high octane aromatics
  376. in the fuel. These aromatics are responsible for disproportionate amounts
  377. of CO and HC exhaust emissions. This is called the "aromatic substitution 
  378. effect". Oxygenates also cause engines without sophisticated engine 
  379. management systems to move to the lean side of stoichiometry, thus reducing 
  380. emissions of CO ( 2% oxygen can reduce CO by 16% ) and HC ( 2% oxygen can 
  381. reduce HC by 10%)[7]. However, on vehicles with engine management systems,
  382. the fuel volume will be increased to bring the stoichiometry back to
  383. the preferred optimum setting. Oxygen in the fuel can not contribute 
  384. energy, consequently the fuel has less energy content. For the same
  385. efficiency and power output, more fuel has to be burnt, and the slight
  386. improvements in combustion efficiency that oxygenates provide on some 
  387. engines usually do not completely compensate for the oxygen.
  388.  
  389. There are huge number of chemical mechanisms involved in the pre-flame 
  390. reactions of gasoline combustion. Although both alkyl leads and oxygenates 
  391. are effective at suppressing knock, the chemical modes through which they 
  392. act are entirely different. MTBE works by retarding the progress of the low 
  393. temperature or cool-flame reactions, consuming radical species, particularly 
  394. OH radicals and producing isobutene. The isobutene in turn consumes 
  395. additional OH radicals and produces unreactive, resonantly stabilised 
  396. radicals such as allyl and methyl allyl, as well as stable species such as 
  397. allene, which resist further oxidation [8,9]. 
  398.  
  399. The major concern with oxygenates is no longer that they may not be 
  400. effective at reducing atmospheric pollution, but that their greater water 
  401. solubility, and very slow biodegradability, can result in groundwater
  402. pollution that may be difficult to remove. Their toxicological and
  403. environmental effects are also still being researched. 
  404.  
  405. 27.4  What is petroleum ether?.
  406.  
  407. Petroleum ether ( aka petroleum spirits ) is a narrow alkane hydrocarbon
  408. distillate fraction from crude oil. The names "ether" and "spirit" refer
  409. to the very volatile nature of the solvent, and petroleum ether does not
  410. have the ether ( Cx-O-Cy ) linkage, but solely consists of hydrocarbons. 
  411. Petroleum ethers are defined by their boiling range, and that is typically 
  412. 20C. Typical fractions are 20-40C, 40-60C, 60-80C, 80-100C, 100-120C etc. 
  413. up to 200C. There are specially refined grades that have any aromatic 
  414. hydrocarbons removed, and there are specially named grades, eg pentane
  415. fraction (30-40C), hexane fraction (60-80C, 67-70C). It is important to
  416. note that most "hexane" fractions are mixtures of hydrocarbons, and pure
  417. normal hexane is usually described as "n-hexane".  
  418.  
  419. 27.5  What is naphtha?.
  420.  
  421. Naphtha is a refined light distillate fraction, usually boiling below 250C,
  422. but often with a fairly wide boiling range. Gasoline and kerosine are the 
  423. most well-known, but there are a whole range of special-purpose hydrocarbon 
  424. fractions that can be described as naphtha. The petroleum refining industry
  425. calls the 0-100C fraction from the distillation of crude oil "light virgin
  426. naphtha" and the 100-200C fraction " heavy virgin naphtha". The product
  427. stream from the fluid catalytic cracker is often split into three fractions,
  428. <105C = "light FCC naphtha", 105-160C = "intermediate FCC naphtha" and 
  429. 160-200C "heavy FCC naphtha".  
  430.  
  431. 27.6  What are white spirits?.
  432.  
  433. White spirits are petroleum fractions that boil between 150-220C. They can 
  434. have aromatics contents between 0-100%, and Shell lists eight grades with 
  435. aromatics contents below 50%, and six grades with aromatics contents above
  436. 50%. The two common "white spirits" are defined by British Standard 245, 
  437. which states Type A should have aromatics content of less that 25% v/v and 
  438. Type B should have an aromatics content of 25-50% v/v. The most common 
  439. " white spirit" is type A, and it typically has an aromatics content of
  440. 20%, boils between 150-200C, and has an aniline point of 58C, and is 
  441. sometimes known as Low Aromatic White Spirits. The next most common is 
  442. Mineral Turpentine (aka High Aromatic White Spirits ), which typically has
  443. an aromatics content of 50%, boils between 150-200C and has an aniline
  444. point of 25C. For safety reasons, most White Spirits have Flash Points
  445. above ambient, and usually above 35C. Note that "white gas" is not white 
  446. spirits, but is a volatile gasoline fraction that has a flash point below 
  447. 0C, which is also known by several other names. Do not confuse the two 
  448. when purchasing fuel for camping stoves and lamps, ensure you purchase the
  449. correct fuel.   
  450.  
  451. 27.7  What are biofuels?.
  452.  
  453. Biofuels are produced from biomass ( land and aquatic vegetation, animal
  454. wastes, and photosynthetic organisms ), and are thus considered renewable
  455. within relatively short time-frames. Examples of biofuels include wood,
  456. dried animal dung, methyl esters from triglyceride oils, and methane from
  457. land-fills. The renewable aspect of most biofuels is essentially the use
  458. of solar energy to grow crops that can be converted to energy. There is
  459. a large monograph "Fuels from Biomass" in Kirk Othmer, and the subject
  460. is frequently discussed in alt.energy.renewable, sci.energy, and 
  461. sci.energy.hydrogen.  
  462.  
  463. 27.8  How can I convert cooking oil into diesel fuel?. 
  464.  
  465. Diesel engines can run on plant and animal triglycerides such as tallow
  466. and seed oils, however most trials have resulted in reduced engine life, or
  467. increased service costs. The solution is to transesterify the triglycerides
  468. into esters, taking care to avoid the formation of monoacylglycerides
  469. that will precipitate out at low temperatures or when diesel is encountered.
  470. There are several plants in Austria that produce Rapeseed Oil Methyl Esters
  471. as fuels for diesel engines. The economics of the process are very 
  472. dependant on the price of diesel and the market for the glycerol byproduct.
  473.  
  474. The common catalysts used to transesterify triglycerides are sodium 
  475. hydroxide, sodium methoxide and potassium carbonate. If the esters are to 
  476. be blended with diesel fuel, then a two stage reaction is usually required 
  477. to ensure that monoacylglycerides are kept below 0.05%. Usually this 
  478. involves using 22g of methanol ( containing 0.6g of sodium hydroxide ) and 
  479. 100g of tallow refluxed for 30 minutes. The mixture is cooled, the glycerol 
  480. layer removed, and a further 0.2g of sodium hydroxide is reacted for 5 
  481. minutes at 35C in a stirred reactor. The glycerol phase is allowed to 
  482. separate, and the ester phase is washed with water to remove residual 
  483. catalyst, glycerol and methanol. Note that sodium hydroxide is the most 
  484. cost-effective catalyst, but also has the worst tendency to form soaps. 
  485. The catalyst and methanol can be of industrial grade without further 
  486. purification required, however care should be taken to prevent additional 
  487. water entering the reaction [10]. 
  488.  
  489. The fuel can be converted into other esters, such as ethyl and butyl, but
  490. it really depends on the availability of cheap alcohol along with the
  491. desired properties of the fuels. The effect of catalysts, reagent ratio, 
  492. temperature, and moisture on the production of methyl, ethyl, and butyl
  493. esters from some common oils has been investigated [11]. The New Zealand 
  494. government investigated a wide range of techniques for turning various 
  495. vegetable and animal triglycerides into esters for diesel, and the reports 
  496. cover many aspects of the kinetics and efficiencies [12]. There is a general 
  497. overview of the current processes and technology available in Inform [13]. 
  498. A specific technique for analysing the monoglycerides has been published 
  499. [14], however I have found that acetylation followed by narrow bore 
  500. ( 0.1mm ID ) capillary chromatography is faster and cheaper.  
  501.  
  502. ------------------------------
  503.  
  504. Subject: 28. Pharmaceutical Chemistry
  505.  
  506. 28.1  Does Thalidomide racemise in humans?.
  507.  
  508. Thalidomide ( N-phthaloyl-alpha-aminoglutarimide ) is well known as an 
  509. enantiomeric sedative-hypnotic drug that caused tragic birth defects in 
  510. the early 1960s. It has often been claimed that the defects were caused by 
  511. the presence of the other isomer in the production batches, and if the pure 
  512. enantiomer had been sold, then the tragic defects would have been avoided. 
  513.  
  514. Unfortunately, thalidomide is optically unstable in solution; the pure 
  515. isomers of thalidomide racemise by the opening of the phthalimide ring, with 
  516. half-lives of 4-5 hours in buffer at pH 7.4, and less than 10 minutes in the 
  517. blood. Thus shortly after administration of either enantiomer, the other 
  518. enantiomer will be present in significant quantities [1].
  519.  
  520. Some recent work has revealed that thalidomide inhibits the production of
  521. tumour necrosis factor alpha. Elevated levels of TNF-alpha are associated
  522. with several inflammatory conditions. This has led to the development of
  523. analogues that are chirally stable in reconstituted human plasma, and which
  524. are undergoing development as anti-inflammatory drugs [2].   
  525.  
  526. ------------------------------
  527.  
  528. Subject: 29. Adhesive Chemistry 
  529.    
  530. ------------------------------
  531.  
  532. Subject: 30. Polymer Chemistry 
  533.      
  534. 30.1  How can I simply identify common plastics?. 
  535.  
  536. Read the recycle code :-). Alternatively, give it to the nearest IR 
  537. spectroscopist who has a polymer library. But if you want some fun, try the
  538. following.
  539.  
  540. There are several simple tests that can be performed in the home that can
  541. assist in separating common plastics, however it is important to realise that
  542. formulated products contain large quantities of pigments, plasticisers, and
  543. fillers that can dramatically alter the following properties. If possible
  544. repeat the tests on a reference sample of the plastic.
  545.  
  546. a. Visually examine the sample, looking for recycle codes :-)
  547.    While you are at it, you can check for indications of how the plastic
  548.    was made - moulded, injected, rolled, machined etc. 
  549. b. Try assessing the flexibility by bending, and look at the bending zone
  550.    - does the material stretch or is it brittle? 
  551. c. Test the hardness, try scratching it with pencils of differing hardness 
  552.    ( B,HB,1-6H ) to ascertain which causes a scratch in the plastic. 
  553.    Alternatively, attempt to scuff the sample with a fingernail. 
  554. d. Cut a small slither with a sharp knife. Does the sample cut cleanly
  555.    ( thermoplastic )?, or does it crumble ( thermosetting )?.
  556. e. Hold sample in small flame, note whether it burns, self-extinguishes on
  557.    removal from the flame, colour of the flame, and smell/acrid nature of 
  558.    fumes when flame is blown out ( Caution - the fumes are likely to be 
  559.    toxic ). Also attempt to press melted sample against a cold surface, and 
  560.    pull away - does sample easily form long threads.    
  561. f. Drop onto a hard surface, does the sample "ring" or "thud"?
  562. g. Place it in water. Does it float, sink slowly, or sink rapidly?
  563.    If it sinks rapidly, it is likely to be halogenated ( PVC, Viton, PTFE ) 
  564.    If it sinks slowly, possibly nylon
  565.    If it floats possibly polyethylene or polypropylene.
  566.    - you can ascertain the actual density by adding measured volumes of a 
  567.      low density solvent like methanol until the sample neither rises nor 
  568.      sinks.
  569.  
  570. Cutting thin slivers results in powdery chips ( thermosetting )
  571.  - carbolic smell in flame, self extinguishing = phenol formaldehyde
  572.  - self extinguishing, black smoke, acrid = epoxide
  573.  - fishy smell = urea formaldehyde, or melamine formaldehyde
  574.  
  575. cutting thin slivers results in smooth sliver ( thermoplastic )
  576.  - metallic "ring", burns (styrene smell)  = polystyrene
  577.    (note that high impact polystyrene may not give "ring" )
  578.  - "thud", floats, hard, glossy surface, burns (paraffin wax smell) = 
  579.       polypropylene
  580.  - "thud", floats, medium-hard surface, burns (sealing wax smell) = 
  581.       high density polyethylene 
  582.  - "thud", floats, soft surface, burns (paraffin wax smell) =
  583.       low density polyethylene 
  584.  - "thud", sinks, burns ( fruity smell ) = acrylic
  585.  - "thud", sinks, burns ( burning paper smell ) = cellulose acetate or
  586.       propionate.
  587.  - "thud", sinks, burns ( rancid butter smell ) = cellulose acetate butyrate
  588.  - "thud", sinks, difficult to ignite ( greenish tinge ) = PVC
  589.  - "thud", sinks, difficult to ignite ( yellow colour, formaldehyde smell )
  590.       = polyacetal
  591.  - "thud", sinks, difficult to ignite ( yellow colour, weak smell ), draws
  592.       into long threads = Nylon
  593.  - "thud", sinks, difficult to ignite ( minimal flame, decomposition but no
  594.       charring, cellular structure forms = polycarbonate.
  595.   
  596. 30.2  What do the plastics recycling codes mean?.  
  597.  
  598. The recycle codes for plastics are currently being reviewed, and new codes
  599. ( probably inside a totally different symbol ) will soon be introduced.
  600.  
  601. 1 = PET
  602. 2 = High density polyethylene
  603. 3 = Vinyl
  604. 4 = Low density polyethylene
  605. 5 = Polypropylene
  606. 6 = Polystyrene
  607. 7 = Others, including multi-layer
  608.  
  609. ------------------------------
  610.  
  611. Subject: 31. Others
  612.      
  613. 31.1  How does remote sensing of chemical pollutants work?. 
  614.  
  615. The are several techniques, but the one of most interest to the public is 
  616. the system being used to identify grossly polluting vehicles. The system 
  617. consists of an infra-red source on one side of the road, and a detector 
  618. system on the other. The collimated beam of IR is directed at a gas filter 
  619. radiometer equipped with two liquid-nitrogen-cooled indium antimide 
  620. photovoltaic detectors. The beam is split, and passes through a 4.3um 
  621. bandpass filter to isolate the CO2 spectral region, a 4.6um filter to 
  622. isolates the CO region, and a third filter to isolate the HC region. 
  623. A non-absorbing region is also used to compensate for signal strength. 
  624. There are various specific enhancements, such as the spinning gas-filter 
  625. correlation cell in the University of Denver FEAT ( Fuel Efficiency 
  626. Automobile Test ) system used to cost-effectively identify grossly-polluting 
  627. vehicles [1]. "Optical remote sensing for air pollutants - review " by 
  628. M.Simonds et al [2], provides a good introduction to the diverse range of 
  629. instruments used for remote sensing of pollutants. 
  630.  
  631. 31.2  How does a Lava Lamp work?.
  632.  
  633. Contributed by: Jim Webb <jnw4347@email.unc.edu>
  634.  
  635. A container filled with clear or dyed liquid contains a non-water-soluble 
  636. substance (the "lava") that's just a little bit denser (heavier), and has 
  637. a greater thermal coefficient of expansion, than the liquid around it. 
  638. Thus, it settles to the bottom of the container. A heat source at the 
  639. bottom of the container warms the substance, making it expand and become 
  640. less dense than the liquid around it. Thus, it rises. As it moves away 
  641. from the heat source, it cools, contracts a bit, and becomes (once again) 
  642. heavier than the medium. Thus, it falls. Heavy, light, heavy, light. 
  643. Sounds like a Milan Kundera novel. 
  644. (Actually, to be more precise: dense, less dense, dense, less dense.)
  645.  
  646. 31.3 How do I make a Lava Lamp?.
  647.  
  648. Contributed by: Jim Webb <jnw4347@email.unc.edu>
  649.  
  650. Method 1. A new, easy, simple, cheap lava lamp recipe
  651.  
  652. Use mineral oil as the lava. Use 90% isopropyl alcohol (which most 
  653. drugstores can easily order) and 70% isopropyl alcohol (grocery-store 
  654. rubbing alcohol) for the other ingredient. In 90% alcohol the mineral oil 
  655. will sink to the bottom; slowly add the 70% alcohol (gently mixing all 
  656. the while; take your time) until the oil seems lighter and is about to 
  657. "jump" off the bottom. Use the two alcohols to adjust the responsiveness 
  658. of the "lava." 
  659.  
  660. This mixture is placed in a closed container (the "lava lamp shape" is 
  661. not required, although something fairly tall is good) and situated over a 
  662. 40-watt bulb. If the "lava" tends to collect at the top, try putting a 
  663. dimmer on the bulb, or a fan at the top of the container.
  664.  
  665. To dye the lava, use an oil-based dye like artists' oil paints or a 
  666. chopped-up sharpie marker. To dye the liquid around it, use food 
  667. coloring. 
  668.  
  669. Two suggestions for better performance: 1) Agitation will tend to make 
  670. the mineral oil form small bubbles unlike the large blobs we're all used 
  671. to. The addition of a hydrophobic solvent to the mixture will help the 
  672. lava coalesce. Turpentine and other paint solvents work well. To make 
  673. sure what you use is hydrophobic, put some on your hand (if it's so toxic 
  674. you can't put it on your hand, do you want to put it in a container that 
  675. could break all over your room/desk/office?) and run a little water on 
  676. it. If the water beads, it should work fine. 2) For faster warm-up time, 
  677. add some antifreeze or (I've not tried it) liquid soap. Too much will 
  678. cloud the alcohol. Keep in mind that the addition of these chemicals may 
  679. necessitate your readjusting the 90% to 70% alcohol mixture.
  680.  
  681. Method 2. The "official" way - from a patent [3].
  682.  
  683. The patent itself is not very specific as to proportions of ingredients. 
  684. The solid component (i.e., the waxy-looking stuff that bubbles) is said 
  685. to consist of "a mineral oil such as Ondina 17 (R.T.M.) with a light 
  686. paraffin, carbon tetrachloride, a dye and paraffin wax." 
  687.  
  688. The medium this waxy stuff moves in is roughly 70/30% (by volume) water 
  689. and a liquid which will raise the coefficient of cubic thermal expansion, 
  690. and generally make the whole thing work better. The patent recommends 
  691. propylene glycol for this; however, glycerol, ethylene glycol, and 
  692. polyethylene glycol (aka PEG) are also mentioned as being sufficient.
  693.  
  694. This mixture is placed in a closed container (the "lava lamp shape" is 
  695. not required, although something fairly tall is good) and situated over a 
  696. 40-watt bulb. If the "lava" tends to collect at the top, try putting a 
  697. dimmer on the bulb, or a fan at the top of the container.
  698.  
  699. Method 3. The "less official" way - from Popular Electronics [4]. 
  700.  
  701. Several non-water-soluble chemicals fall under the category of being 
  702. "just a little bit heavier" than water, and are still viscous enough to 
  703. form bubbles, not be terribly poisonous, and have a great enough 
  704. coefficient of expansion. Among them: Benzyl alcohol (Specific Gravity 
  705. 1.043 g/cm3), Cinnamyl Alcohol (SG 1.04), Diethyl phthalate (SG 1.121) 
  706. and Ethyl Salicylate (SG 1.13). [The specific gravity of distilled water 
  707. is 1.000.]
  708.  
  709. Hubscher recommends using Benzyl Alcohol, which is used in the 
  710. manufacture of perfume and (in one of its forms) as a food additive. It can 
  711. be obtained from chemical or laboratory supply houses (check your yellow 
  712. pages); the cheapest I could find it for was $25 for 500 ml (probably 2, 
  713. maybe 3 regular-sized lava lamps' worth). An oil-soluble dye is nice to 
  714. color the "lava"; Hubscher soaked the benzyl in a chopped up red felt-tip 
  715. pen and said it worked great. [Benzyl alcohol is "relatively harmless", 
  716. but don't drink it, and avoid touching & breathing it.] 
  717.  
  718. Hubscher found that the benzyl and the water alone didn't do much, so he 
  719. raised the specific gravity of the water a little bit by adding table 
  720. salt. A 4.8% salt solution (put 48 grams of salt in a container and fill 
  721. it up to one liter with water) has a specific gravity of about 1.032, 
  722. closer to benzyl's 1.043. I find that the salt tends to cloud the water a 
  723. bit.. you might want to experiment with other additives. (Antifreeze? 
  724. Vinegar?)
  725.  
  726. This is put into a closed container and placed above a 40-watt bulb, as 
  727. above. Either way, I would suggest using distilled water and consider 
  728. sterilising the container by immersing it in boiling water for a few 
  729. minutes.. algae growing in lava lamps is not very hip.
  730.  
  731. Caveat: Some of these chemicals are not good for you. Caveat 2: Some of 
  732. these companies are not good for you if they find you've been infringing 
  733. on their patent rights and trying to sell your new line of "magma 
  734. lights." Be careful.
  735.  
  736. 31.4  What is Goretex?.
  737.  
  738. Goretex is a dispersion-polymerised PTFE that is patented by W.L.Gore and
  739. Associates [5]. It is classed as a stretched semi-crystalline film, and is
  740. produced by extrusion under stress ( faster take-up rate than extrusion 
  741. rate ). The extrudate is stretched below the melting temperature, often
  742. in the presence of an aromatic hydrocarbon that swells the amorphous region,
  743. creating porosity. The hydrophobic nature of the PTFE means that liquid
  744. water is repelled from the pores, whereas water vapour can pass through.
  745. It is important to realise that once the PTFE pores are filled with liquid
  746. water, the fabric can allow liquid water to pass though until it is dry
  747. again. Thus Goretex-containing fabrics ( such as Nomex/Goretex - which 
  748. consists of an outer aramid fabric, a central Goretex layer, and a cotton 
  749. backing ) should never be used as protection from chemicals as many will
  750. pass straight through. Any water-miscible solvent ( eg alcohol ) can fill 
  751. the pores, and then liquid water can displace it and continue to rapidly 
  752. pass through until the fabric is fully dried out.
  753.  
  754. 31.5  What causes an automobile airbag to inflate?.
  755.  
  756. The final cause is the production of nitrogen from 10s of grams of sodium
  757. azide, but there are some extra chemicals involved along the way.
  758. Sodium azide is toxic, The airbag inflators are aluminium-encased units
  759. that contain an igniter (squib), gas generating pellets ( or wafers of 
  760. sodium azide propellant ), and filters to screen out combustion products.
  761. The electrical signal ignites a few milligrams of initiator pyrotechnic 
  762. material. The pyrotechnic material then ignites several grams of booster 
  763. material, which ignites the tens of grams of sodium azide, and the azide
  764. burns very rapidly to produce nitrogen gas and sodium.  
  765.  
  766. The sodium azide is pelletised to control the rate of gas generation by
  767. controlling its surface area. The free sodium would form sodium
  768. hydroxide when it contacts  the water in people's noses, mouths, and
  769. eyes so, to prevent this, the manufacturers mix in chemicals that will
  770. produce sodium salts ( silicates, aluminates, borates ) on combustion.
  771.  
  772. Inflator units also often have a layer of matted material of alumina and
  773. silica called Fiberfrax in the particulate filter. The Fiberfrax mat reacts
  774. with most of the remaining free sodium in the generated gas. A typical
  775. reaction pathway is as follows [6];-
  776.  
  777.             300C
  778.    2 NaN3  ------>  2 Na  +  3 N2
  779.   10 Na  +  2 KNO3  ------>  K2O  +  5 Na20  +  N2
  780.   K2O  +  Na2O  +  SiO2  ------>  alkaline silicate glass.     
  781.  
  782. There are apparently also corn starch and talcum powder used as lubricants 
  783. in the bag, and if the bag explodes these are the powders that contaminate 
  784. people - not the toxic chemicals in the inflator.  
  785.  
  786. One article quotes 160 grams  of propellant for a drivers-side bag 
  787. ( 60 litres of gas) and 450 grams for a passengers-side bags 
  788. ( which are 3-5 times larger) . I suspect that may include all of the
  789. above ingredients in the igniter, but not the bag lubricants. 
  790.  
  791. The bag fills until it reaches slightly above atmospheric pressure, and
  792. the manufacturers now control the bag inflation speed to 90-200mph, which 
  793. is less than the early models - because they were too violent and could
  794. harm occupants. The actual sequence goes something like:-
  795.  
  796. 0  - Impact
  797. 15 - 20 milliseconds - sensors signal severe frontal collision.
  798. 18 - 23 milliseconds - pyrotechnic squib fired
  799. 21 - 27 milliseconds - nylon bag inflates
  800. 45 - 50 milliseconds - the driver ( who has moved forward 5 inches)
  801.                        slams into the fully inflated bag
  802. 85 -100 milliseconds - the driver "rides the bag down" as the air
  803.                        cushion deflates.
  804.  
  805. Recently, there have been calls to change the crash testing procedures to
  806. allow the test dummy to be belted in, as seat belt usage is now about 67%.
  807. Having a belted dummy would permit the use of slower inflating airbags, as
  808. the deaths of 30 children ( up to Dec. 1996 ) have been attributed to the 
  809. speed of inflation of the larger passenger-side bag. Early in 1997, the 
  810. US NHTSA finally permitted depowering and/or disabling of passenger-side
  811. airbags. A major airbag supplier is Breed Automotive, Boonton Township, N.J.
  812.  
  813. More details can be found in specialist articles [7-9], and research is 
  814. continuing into alternative inflation mechanisms, such as compressed gases.
  815. There has been extensive work over the last decade on "hybrid" airbag 
  816. systems. These two-stage systems often use cylinders of compressed gas, 
  817. which can be released at ambient temperatures for situations where low-speed 
  818. deployment is appropriate, or the gas can be rapidly heated for high-speed
  819. deployment. 
  820.  
  821. 31.6  How hazardous is spilt mercury?.
  822.  
  823. First step - ensure any broken thermometer actually contained mercury, as 
  824. many only contain alcohol. Mercury has an appreciable vapour pressure at 
  825. ambient temperatures, thus if the mercury has split somewhere warm and with 
  826. limited air circulation, then vapour concentrations can accumulate. When 
  827. mercury drops any distance onto a surface, it splatters into hundreds of 
  828. minute globules, resulting in a large surface area. The major hazard is 
  829. the mercury vapour produced from the spill. Mercury usually ends up in carpet 
  830. or cracks in the surface, and so really is only a significant hazard to 
  831. children crawling around the floor. Do not over-react. If the location is 
  832. relatively cool and well-ventilated, there is little danger to adults. Remove
  833. as much mercury as conveniently possible, and just remember when toddlers 
  834. come visiting that there is a slight potential hazard if the area is not 
  835. well-ventilated and is warm. Obviously, if you increase the ventilation, the 
  836. concentrations will decrease faster. The USA ACGIH TLV for mercury vapour is 
  837. 0.05mg/m3, whilst the DFG ( Germany ) limit is 0.01mg/m3, and the vapour 
  838. pressure of mercury at 25C is 0.0018mm. At 25C, the equilibrium concentration
  839. would be about 20mg/m3, which is 400 times the permitted TLV. It is unlikely 
  840. that this equilibrium would be reached in areas where there are significant 
  841. airflows, unless the mercury had been finely dispersed ( as in a blown 
  842. manometer, or dropped onto a very rough surface ).
  843.  
  844. Mercury vapour is rapidly oxidised to divalent ionic mercury by the tissues 
  845. of the body. Human volunteers exposed to tracer doses of elemental Hg 
  846. demonstrated first order kinetics for excretion with a half life of 60 days. 
  847. The lethal concentration for humans is apparently not known, but acute 
  848. mercurialism has resulted from exposures to concentrations within the range 
  849. 1.2 - 8.5mg/m3. The human organism is able to absorb and excrete substantial 
  850. amounts of mercury, in some cases as high as 2 mg/day without exhibiting
  851. any abnormal symptoms or physical signs [10].
  852.  
  853. The Dietary uptake for mercury was estimated to be :-
  854.       3 micrograms/day Adults
  855.       1    "        " young children
  856.       1    "        "  infants.
  857. and the adult uptake was estimated to comprise of
  858.       0.3 air via Hg(0), 
  859.       0.1 water via Hg(2+), 
  860.       3 food via Hg(CH3Hg+).
  861. ( EPA Mercury Criteria Document 1979 )
  862.  
  863. The CRC Handbook of Laboratory Safety [11] has a chapter on mercury hazards.
  864. A good discussion of mercury ( and other metals ) is found in "Metals and 
  865. their Compounds in the Environment: Occurrence, Analysis and Biological 
  866. Relevance" [12]. 
  867.  
  868. The best method of removing spilt mercury is to use a vacuum with a flask 
  869. and pasteur pipette and chase the little globules around the floor while not 
  870. breathing :-).  Seriously, a simple vacuum system, or even a pasteur pipette, 
  871. can remove most of the large globules. There are special commercial vacuum
  872. cleaners, but never use a household one - as the expelled air will contain
  873. mercury vapour, and the fine metal globules will contaminate the cleaner. 
  874. For nooks, crannies, and cracks  - where the mercury is likely to remain 
  875. undisturbed, you can either apply flowers of sulfur ( fine elemental sulfur )
  876. or zinc dust, with vigorous brushing to facilitate contact, and sweep up the 
  877. excess. If the mercury is going to be re-exposed ( by cleaning, foot traffic 
  878. etc., ), then the zinc dust may be preferred because of an apparently faster 
  879. reaction rate. However, if you have a light-coloured carpet, pouring yellow 
  880. or grey powder is not usually an option, and if the location is warm and not 
  881. well-ventilated near ground level, ensure that toddlers do not spend hours 
  882. every day playing there. 
  883.  
  884. There have been several studies on the best methods to clean up spills, 
  885. including "Vaporisation of Mercury spillage" [13]. The abstract reports " A 
  886. report on an investigation of the problem in laboratories and industries of 
  887. mercury (Hg) vaporisation from small droplets in cracks and floors. The 
  888. efficacy of other fixing agents besides flowers of sulfur was metered. 
  889. The results show that the use of a sulfur, calcium oxide and water mixture 
  890. was the most successful mixture for fixing mercury droplets. A second 
  891. convenient technique is the use of an aerosol hair spray. A chelating soap 
  892. is available in some countries, and this would presumably be the method of 
  893. choice in dealing with spillages."
  894.  
  895. Another article includes methods based on amalgamating with zinc impregnated 
  896. in a metal sponge or scrubbing pad for picking up mercury [14], and another
  897. investigates substances that can be used to remove spilled mercury - such as
  898. iodised activated carbon, copper or zinc powders, molecular sieves of copper 
  899. or silver ions, and silica gel [15]. 
  900.  
  901. Dental amalgam is apparently a finely divided powder of a silver, tin, 
  902. and copper alloy that is mixed with the mercury. The setting time probably
  903. is a function of the slow dissolution of the alloy in the mercury due to
  904. the particle size of the powder used. The mass % of each individual metal 
  905. amalgam when mercury is saturated at 20C is Ag = 0.04, Cu = 0.0032, and 
  906. Sn = 0.62, but I've no idea if that is the ratio actually used. I presume 
  907. the ratio may be varied to obtain the desired physical properties, and that
  908. there would be a theoretical excess of the alloy to ensure minimal free
  909. mercury. The actual amount of mercury vapour from dental amalgam is low, but 
  910. directly measurable by sensitive mercury vapour analysers. The significance 
  911. of mercury vapour from dental amalgam to health has been very controversial, 
  912. however there are now practical alternatives in widespread use.  
  913.  
  914. 31.7  Did molasses really kill 21 people in Boston?. 
  915.  
  916. From: mica@world.std.com (mitchell swartz) Date: Sun, 4 Jul 1993
  917. Subject: Molasses Accident
  918.  [excerpt from the Book of Lists #3 (Wallace et alia)]
  919.  
  920.   THE GREAT BOSTON MOLASSES FLOOD
  921.   "On Jan. 15, 1919, the workers and residents of Boston's North End, mostly 
  922.   Irish and Italian, were out enjoying the noontime sun of an unseasonably 
  923.   warm day. Suddenly, with only a low rumble of warning, the huge cast-iron 
  924.   tank of the Purity Distilling Company burst open and a great wave of raw 
  925.   black molasses, two stories high, poured down Commercial Street and oozed 
  926.   into the adjacent waterfront area. Neither pedestrians nor horse-drawn 
  927.   wagons could outrun it. Two million gallons of molasses, originally 
  928.   destined for rum, engulfed scores of persons - 21 men, women, and children 
  929.   died of drowning or suffocation, while another 150 were injured. Buildings 
  930.   crumbled, and an elevated train track collapsed. Those horses not
  931.   completely swallowed up were so trapped in the goo they had to be shot by 
  932.   the police. Sightseers who came to see the chaos couldn't help but walk in 
  933.   the molasses. On their way home they spread the sticky substance throughout 
  934.   the city. Boston smelled of molasses for a week, and the harbor ran brown 
  935.   until summer."
  936.    
  937.   From this we see 21 people were killed, the half life was fairly short for 
  938.   the contaminants. Long term effects were probably negligible.
  939.  
  940. 31.8  What is the active ingredient in mothballs?.
  941.  
  942. Mothballs were originally made from camphor ( C10H16O, [76-22-2], MP 176C,
  943. BP 204C ), or naphthalene ( C10H8, [91-20-3],  MP 82C, BP 218C ),
  944. but para-dichlorobenzene ( C6H4Cl2, [106-46-7], MP 55C, BP 173C ), became 
  945. cheaply available as an unwanted by-product of ortho-dichlorobenzene
  946. production, and thus became the most common active ingredient. However 
  947. para-dichlorobenzene is also a suspected carcinogen, and naphthalene 
  948. has again become a common active ingredient. Consequently, the best
  949. method of finding the active ingredient is to read the label on the packet,
  950. Note that adding mothballs to modern gasolines will not increase the octane 
  951. rating of the fuel - refer to the Gasoline FAQ posted in rec.autos.tech for 
  952. more details.  
  953.  
  954. 31.9  Is vinegar just acetic acid?.
  955.  
  956. Most countries have food regulations that permit the use of acetic acid as 
  957. clearly-labelled "synthetic white vinegar". Most vinegars are actually malt 
  958. vinegars ( fermented ), and synthetic acetic acid is not allowed to be sold 
  959. as Malt Vinegar. Most natural, unfortified, malt vinegars are appropriately 
  960. labelled. The classification can get rather messy when bulk suppliers dilute 
  961. malt vinegar concentrates with acetic acid, which itself could either be 
  962. synthetic, or from another fermentation process. Regulations usually require 
  963. any addition of acetic acid to be clearly marked on the label, and the 
  964. product is not normally legally sold as pure "malt vinegar". The amount of 
  965. acetic acid in "natural" malt, cider, or wine vinegars usually ranges from 
  966. 4% - 6%, but some examples can have up to approximately 20%. Vinegar is 
  967. produced by the exothermic aerobic bacterial oxidation of ethanol to acetic 
  968. acid via acetaldehyde.
  969.  
  970. 31.10 What are the different grades of laboratory water?. 
  971.  
  972. There are several techniques used in chemical laboratories to obtain the
  973. required purity of water. There are several grading systems for water, but
  974. the most well-known is the ASTM system, although certain applications (HPLC)
  975. often require purer water than ASTM Type I, consequently additional
  976. treatments such as ultrafiltration and UV oxidation may also be used to 
  977. reduce concentrations of uncontrolled impurities, such as organics.
  978.  
  979. ASTM Type                                    I         II        III
  980. Specific Conductance   (max. uMhos/cm.)    <0.06      <1.0       <1.0
  981. Specific Resistance    (min. Mohms/cm.)   >16.67      >1.0       >1.0
  982. Total Matter           ( max. mg/l )       <0.1       <0.1       <1.0
  983. Silicate               ( max. mg/l )        N/D        N/D        0.01
  984.  
  985. KMnO4 Reduction        ( min. mins )      >60.0      >60.0      >10.0
  986.  
  987. Type                                         A          B          C
  988. Colony Count (Colony forming units/ml)    0 Bacteria   <10      <100 
  989. pH                                          NA         NA       6.2-7.5 
  990.  
  991. The techniques to purify natural waters - which may be almost saturated 
  992. with some contaminants - are frequently used in combination to obtain high 
  993. purity laboratory water. Some purification techniques use less energy than 
  994. distilling the water, and may be used in combination where large volumes of 
  995. "pure" water are required. The design of purified water systems, and the
  996. materials used for construction, are selected according to the important
  997. contaminants of the water. For some applications, 316L stainless steel may 
  998. be required, whereas other applications may require polyvinylidene difluoride
  999. and polytetrafluoroethylene materials. Systems are carefully designed to 
  1000. minimise the volume of water remaining static and in "dead ends" - where 
  1001. microbes could grow.    
  1002.  
  1003. The first treatment is usually a coarse physical filtration using a depth
  1004. filter that can remove undissolved large particles and other insoluble
  1005. material in the feed water. 
  1006.  
  1007. For smaller volumes, distillation is the pretreatment method of choice.
  1008. Distilled water is water that has been boiled in a still and the vapour 
  1009. condensed to obtained distilled water. While many impurities are removed 
  1010. ( especially dissolved and undissolved inorganics that make water "hard", 
  1011. most organisms, etc. ), some impurities do remain ( volatile and some 
  1012. non-volatile organics, dissolved gases, and trace quantities of fine 
  1013. particulates ). Distilled water has lost many of the ionic species that 
  1014. provided a pH buffer effect so, as it dissolves some CO2 from the air 
  1015. during condensation and storage, the pH moves to around 5.5 ( usually from 
  1016. close to the neutral pH of 7.0 ). Distilled water has the vast majority of 
  1017. impurities removed, but often those residual compounds still make it 
  1018. unsuitable for demanding applications, so there are alternative methods of 
  1019. purifying water to remove specific undesirable species. 
  1020.  
  1021. The next common treatment is ion-exchange, which involves using a bed of 
  1022. resin that exchanges with unwanted dissolved species, such as those that 
  1023. cause "hardness" ( calcium, magnesium ) in water. Two resins are used, one 
  1024. that exchanges anions ( usually a strong anion exchanger such as Amberlite 
  1025. IRA-400 - a quaternary ammonium compound on polystyrene ), and one that 
  1026. exchanges cations ( usually a strong cation exchanger such as Amberlite 
  1027. IR-120 - a sulfonic acid compound on polystyrene ). These resins can also 
  1028. be combined in "mixed bed" resins, such as Amberlite MB-1A, which is a 
  1029. mixture of IRA-400 [OH- form] and IR-120 [H+ form]. The porosity of the 
  1030. polystyrene-based resin is dependant on the amount of cross-linking, which
  1031. is, in turn, dependant on the proportion of divinyl benzene used in the
  1032. process. Unfortunately, selectivity of a highly porous resin is inferior
  1033. to that of a less porous, more cross-linked, resin, so a balance between
  1034. the rate of exchange and the selectivity is sought. Agarose, cellulose, 
  1035. or dextran can be used in place of the polystyrene base. Sophisticated
  1036. systems can have many beds in sequence, using both stronger and weaker
  1037. ion exchange resins. 
  1038.  
  1039. The exchange potential for ions depends on a number of factors, including 
  1040. molecular size, valency and concentration. In dilute solutions, exchange 
  1041. potentials increase with increasing valency, but in concentrated solutions 
  1042. the effect of valency is reversed, favouring the absorption of univalent 
  1043. ions rather than polyvalent ions. This explains why calcium and magnesium 
  1044. can be strongly absorbed from feedwater in softening processes, but then are 
  1045. easily removed from the ion exchange resin when concentrated sodium chloride 
  1046. is used as regenerant. In dilute solutions, the order of common anion 
  1047. exchange potentials on strong anion exchangers is sulfate > chromate > 
  1048. citrate > nitrate > phosphate > iodide > chloride. In dilute solutions, the 
  1049. order of common cation exchange potentials on strong cation exchangers is 
  1050. Fe3+ > Al2+ > Ba2+ > Pb2+ > Ca2+ > Cu2+ > Zn2+ = Mg2+ > NH4+ = K+ > Na+ > 
  1051. H+ > Hg2+.          
  1052.  
  1053. There are two forms of ion exchange for water purification. To "deionise"
  1054. feed water, the resins are in the OH- ( anion exchanger ) and H+ ( cation
  1055. exchanger ) forms.  If sodium chloride was present in the feed water, the 
  1056. sodium ion would displace the hydrogen ion from the cation resin, while 
  1057. the chloride would displace the hydroxyl ion from the anion resin. The 
  1058. displaced ions can combine to form water. Separate beds of resins can be 
  1059. regenerated using 1 Normal acid ( HCl or H2SO4 ) for strongly-acid cation 
  1060. resins, or 1 Normal sodium hydroxide for strongly-basic anion resins.
  1061. The amount of regenerant is approximately 150 - 500% of the theoretical
  1062. exchange capacity of the bed.
  1063.  
  1064. If the intention is to merely "soften" the feed water to reduce deposits, 
  1065. the beds can be in the Cl- ( anion exchanger ) and Na+ ( cation exchanger ) 
  1066. forms. These are replaced by the dilute polyvalent species in the water that 
  1067. rapidly form undesirable insoluble deposits as process water evaporates, 
  1068. like calcium, magnesium and sulfate. The beds can be regenerated by passing 
  1069. highly concentrated salt ( sodium chloride ) solutions through them until 
  1070. all the polyvalent ions on the resins have been replaced. This technique 
  1071. produces "soft" process water that used in industry.  
  1072.  
  1073. When a dilute feedwater solution containing salt passes through a cation 
  1074. exchange resin bed in the hydrogen form, the reaction that occurs is:-
  1075. Na+  +  Cl  +  R.SO3H  <=>  H+  +  Cl-  +  R.SO3Na
  1076. Obviously, the acidity of the water strongly increases as it moves down the
  1077. bed, which inhibits the exchange process. If a mixed bed is used, the 
  1078. products soon encounter the anion exchange resin and are also removed:-
  1079. H+  +  Cl-  +  R.NH2  <=>  R.NH3  +  Cl-
  1080. H+  +  Cl-  +  R.NH3OH  <=>  R.NH3  +  Cl-  +  H2O
  1081. Mixed bed resins are usually more efficient than equivalent single beds.
  1082.  
  1083. If the water feeding the resin beds has already been distilled ( very common 
  1084. in laboratories - the resin beds then last much, much longer, and the 
  1085. distillation has also removed other impurities  ), then the water is called 
  1086. "distilled and deionised". Laboratory water that has had most of the ionic 
  1087. impurities removed will have a high electrical resistance, and is often known 
  1088. as "18.3 megohm" water because the electrical resistance is >18,300,000 
  1089. ohm/cm, but note that non-ionic impurities may still be present.    
  1090.  
  1091. An alternative process that has increasingly replaced ion-exchange is 
  1092. reverse-osmosis, which uses osmotic pressure across special membranes to 
  1093. remove most of the impurities. It is called reverse-osmosis because the feed 
  1094. side is pressurised to drive the purified water through the membrane in the 
  1095. opposite direction than would occur if both sides were the same pressure. 
  1096. The two common membrane materials are cellulose acetate or polysulfone 
  1097. coated with polyamine, and typical rejection characteristics are:- 
  1098.                        Monovalent    Divalent    Pyrogens, Bacteria
  1099.                          Ions          Ions      Organics > 200 MW
  1100. Cellulose Acetate        >88%          >94%            >99%  
  1101. Polyamine                >90%          >95%            >99%
  1102.  
  1103. The huge advantage of RO is that membranes can easily be maintained 
  1104. ( occasional chemical sterilisations ), are largely self-cleaning, and can 
  1105. produce large amounts of water with no chemical regeneration and minimal 
  1106. energy requirements - just the pressure ( 200 psi ) required to push the 
  1107. water along the membrane surfaces and improve the osmotic yield. RO is 
  1108. commonly used as a pretreatment stage when very pure water is required, and 
  1109. for situations where large volumes of reasonably pure water are required. 
  1110.  
  1111. Organic species and free chlorine are usually removed from water by passing 
  1112. the water through a bed of activated carbon where they form a low energy 
  1113. chemical link with the carbon. These filters are often installed upstream 
  1114. of the ion-exchange and reverse osmosis stages to protect them from chlorine 
  1115. and organics in the feed water. Polyamine RO membranes require feedwater 
  1116. containing <0.1ppm free chlorine, however cellulose acetate membranes can
  1117. tolerate up to 1.5ppm free chlorine.   
  1118.  
  1119. The final stage of producing "pure" laboratory water usually involves 
  1120. passing the deionised  water through a 0.22um filter, which is sufficiently 
  1121. small to remove the vast majority of organisms ( the smallest known 
  1122. bacterium is around 0.3um ), thus sterilising the water. 
  1123.  
  1124. Recently, ultrafiltration has become popular as a means of reducing pyrogens 
  1125. ( they are usually lipopolysaccharides from the degradation of gram negative 
  1126. bacteria ). They are measured by either injecting a sample into test rabbits
  1127. and measuring body temperature increase or by the more sensitive Limulus
  1128. Amebocyte Lysate (LAL) test. The internal membrane of an ultrafiltration
  1129. system has a pore size of <0.005um. This will remove most particles, 
  1130. colloidal silica, and high MW organics such as pyrogens, down to about 
  1131. 10,000MW. These are usually for cell-culture and DNA research, and are 
  1132. located at the point of use, however the ultrafiltration unit has to be 
  1133. regularly sanitized to prevent microbial growth.
  1134.  
  1135. Ultraviolet irradiation can be used as a bactericide (254nm) or to destroy
  1136. organics by photo-oxidation (185nm). The water is exposed to UV for periods 
  1137. up to 30 minutes, and the UV interacts with dissolved oxygen to produce 
  1138. ozone. The ozone promotes hydroxyl radical formation, which result in the 
  1139. destruction of organic material. Usually a high intensity, quartz mercury 
  1140. vapour lamp is used, and is followed by an ion exchange and organic scavenger
  1141. cartridge to collect decomposition products. The product water is very low in
  1142. total organic carbon.
  1143.  
  1144. Dissolved gases can be removed by passing the water through a vacuum 
  1145. degassing module that utilises an inert, gas-permeable membrane surrounded 
  1146. by a vacuum to remove dissolved gases from the water.
  1147.  
  1148. The purest laboratory water is usually obtained after passing through a 
  1149. system that can include reverse osmosis or distillation of the feed water, 
  1150. followed by activated carbon to remove chlorine and organics. The water is 
  1151. passed through ion exchange resins to remove inorganic ions, through a 
  1152. UV oxidation stage, followed by a combined ion exchange and organic scavenger 
  1153. cartridge, and finally through a 0.22um filter. An additional stage of vacuum
  1154. degassing to remove dissolved gases may be added for some applications - such
  1155. as for semiconductor production. 
  1156.  
  1157. These pure water systems are regarded as " point-of-use ", because it is 
  1158. extremely difficult to prevent the reintroduction of contamination during
  1159. storage and distribution. The water is commonly known as " 18.3 Megohm " 
  1160. water, because it has a specific resistance greater than 18.3 Megohm-cm 
  1161. at 25C. It also contains < 5 ppb of total organic carbon, < 10 ppb of total 
  1162. dissolved solids, and < 1 colony forming unit / mL of micro-organisms.
  1163.   
  1164. Details of laboratory and industrial water-purification processes are 
  1165. available in the catalogues of equipment suppliers such as Barnstead [16]
  1166. and Millipore [17].  
  1167.  
  1168.