CHM151 Online Final for Fall 2010 |
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Some of the problems on this exam are based on the atomic number of your element code name. I listed them here to be sure you are using the correct atomic #.
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The above image shows some of the setup I use when demonstrating the making of biodiesel. Now I also do the distillation and recovery of methanol but that's not shown in the above image. |
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CHAPTER 1: Foundations (Metrics, Measurement, Dimensional Analysis) |
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The recipes for making biodiesel are always based on liters of oil. However, in my biodiesel demonstration, I used a 48 fluid oz bottle of vegetable oil. That isn't one liter, so I will have to adjust the recipe. Problem 1: How many liters is 48 fluid ounces? (Notice I said "fluid ounces" because ounces can also be a weight, where 16 oz equal 1 lb. However, this is not the weight called ounce.) |
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The recipe calls for 3.5 grams of sodium hydroxide (lye) per liter of oil. However, I did not use one liter of oil in the demonstration. I used 1.4 liters of oil. |
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Gasoline doesn't really freeze, but water in gasoline will. These bottles of methanol is used to dissolve water that might be in the gasoline. The recipe calls for 200mL of methanol per liter of oil. Problem 3: Again, I am using 1.4 liters oil, so how many mL of methanol do I need? The bottle with an "X" is isopropyl alcohol and not methanol. Isopropyl alcohol will not work for making biodiesel. All bottles are 12 fluid ounces. |
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The oil has to be heated to 120 to 130°F. In the image I show it to be about 50°C. To be thorough, I should have listed two Celsius temperatures equivalent to the two Fahrenheit temperatures. Problem 5: What would those be? |
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One of my biodiesel students purchased the equipment shown to build his own biodiesel processing system. The large white cylinder is where the used cooking oil goes. It is marked in gallons. He would often make a 100 gallon batch of biodiesel because his truck had a 100 gallon tank. Again, the rate of NaOH is 3.5 grams per liter. However, lye (NaOH) is purchased in 1 pound containers. Problem 6: How many one-pound containers are needed? (The best way to do these problems is with dimensional analysis. Below is the set up.)
Problem 7a: What formula goes in J2? Problem 7b:Instead of 100 gallons, what would be the number of one-lb NaOH jars if you used your atomic number as the number of gallons? |
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Chapter 2-Atoms, Molecules, Ions, and Nomenclature |
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Here is both the ball and stick model of methanol and the space filled model. The ball and stick model makes it easier to see what atom is connected to what other atom. The space filled model shows the true size of the atoms. Methanol is also called methyl alcohol. Problem 8a: What part of the molecule shown is the "methyl" group? |
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Here is a typical molecule of fat or oil. Problem 9: What element is represented by the red spheres? |
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Here is a similar fat molecule but shown with the structural formula for the left 3 carbons and a skeletal formula for the long hydrocarbon chains.
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When oil or fat is converted to biodiesel, the 3 long chains on the on the right are split from the 3 carbon chain on the left. As they are split, a methoxide group (CH3O) is added to the long chain. These long chains (with the methoxide groups) are the biodiesel molecules. The difference between diesel and biodiesel is that biodiesel has two oxygen atoms in it. That makes biodiesel burn cleaner because it carries some oxygen that helps it burn. The molecule with the 3 carbon chain is called glycerin (or glycerol). Glycerin is a by-product from biodiesel. Problem 11: Where does the word "glycerin"come from? |
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Problem 12: Here's an image of the end of biodiesel molecule that has the two oxygen atoms. Biodiesel is often referred to as a methyl ester. Why is it called a methyl ester? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
NaOH + CH3OH --> Na+ + CH3O- + HOH | The key to making biodiesel is to convert methanol into an ion. Normally methanol CH3OH is neutral but NaOH is strong enough to pull off the hydrogen ion (proton) connected to the oxygen. CH3O- is the methoxide ion. Problem 13: What is HOH and why did I color it the way I did? |
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Instead of NaOH being used, KOH is often used. There are many hydroxide compounds but most are too weak or too expensive to be used. Problem 14: What are the names of the following hydroxide compounds? KOH LiOH Ca(OH)2 Mg(OH)2 |
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When biodiesel is created, there are some contaminants of methanol, sodium hydroxide, and glycerin in the biodiesel. Water is sometimes used to remove those contaminants. Once in awhile the water and biodiesel will form an emulsion and not separate. The emulsion can last for days. To break up the emulsion, table salt can be added to the mixture. When the oil is getting converted to biodiesel by the methanol/lye mixture, some of the oil is getting converted to soap by the lye. The soap will tie the water and biodiesel layers together to make an emulsion. The salt will interfere with the soap (like hard water does) and break up the emulsion allowing the biodiesel and water to separate. Problem 15: Other salts could be used. What are the formulas for the following salts? |
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Chapter 3-Stoichiometry |
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Remember, potassium hydroxide can be used instead of sodium hydroxide; however, the recipe of 3.5 grams of sodium hydroxide per liter of oil can't be used because potassium hydroxide weighs more per mole than sodium hydroxide. The active component is NaOH is the OH (hydroxide). KOH can be used but we have to have the same number of OH ions. Problem 16b: How many moles of OH are in 3.5 grams of KOH?
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KOH dissolves better in methanol than does NaOH, but KOH normally is not pure. In the container on the left, they list the concentration as 90+% pure. So we can plan on 90% w/w KOH. This makes the calculation more complicated for the proper amount of KOH. The gallons of the batch will be equal to your element code name's atomic #. How many grams of KOH is needed if you are using only 90% w/w KOH (P2)? (Below is a setup. We will use the 3.5 g NaOH per liter as our moles of OH needed per liter. |
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Problem 18: If making 50 gallons and using 95% KOH, which cells need to be updated? |
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04-Chemical Reactions & Solution Stoichiometry |
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The rule of like dissolves like is quite useful in the making and cleanup of biodiesel. One method of cleaning up the raw biodiesel is to use water. Here I am pouring water into the raw biodiesel. Earlier you saw biodiesel has long hydrocarbon chains similar to diesel. Those are non-polar so water is not attracted to those chains. That makes biodiesel not soluble in water. However, there are some residues in the biodiesel that we have to remove. They are NaOH, glycerin (CH2OH-CHOH-CH2OH), and methanol (CH3OH). Water (H2O or HOH) is attracted to all of these and they will all dissolve in water. Problem 20: The density of biodiesel is about 0.86 g/mL. After mixing the water and biodiesel will separate. Which one will be at the bottom? |
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Problem 21: Because of the NaOH, the wash water will be have a pH that is affected by the excess of OH-. Will the water be acidic or alkaline? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Here is the pH from the first wash of biodiesel. It's between pH 11 and pH 12. You are suppose to continue the washes until all of the NaOH is gone and the wash water is neutral. Problem 22: What will be the pH then? |
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During cooking, water in the food will split some of the triglyceride molecules. In the process water itself splits. One H in water (HOH) goes to the glycerin and the OH in HOH connects to the carbon with the double bond to oxygen. This produces fatty acids. They are called "acids" because one end is COOH. That's called a carboxylic acid group. It's also called "acid" because the hydrogen (in red) comes off easy, which is one definition of an acid. Problem 23: What type of compounds neutralize acids? |
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Remember, the 3.5 grams NaOH per liter needed to create the methoxide? If there are fatty acids present, then they will neutralize the NaOH by donating H+ ions to sodium hydroxide's OH- ions. That forms water. The problem is that there will be no OH- ions left to pull off the H+ on CH3OH to make CH3O-. Below is the equation for the neutralization of NaOH by the fatty acid shown. The fatty acid turns into soap. Problem 24: What is the molar mass of the soap molecule produced? NaOH + HOCO(CH2)10CH3 --> HOH + NaOCO(CH2)10CH3 |
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If used oil is used to make biodiesel, a titration of the oil is necessary to find out the amount of fatty acids that are in the oil. By knowing that, one can add extra sodium hydroxide to neutralize the fatty acids and still have 3.5 grams of NaOH left over to react with the methanol. Like all titrations, you need a known concentration of a solution that will neutralize what you are trying to measure. In this case we are trying to measure fatty acids, so we pick something alkaline to neutralize that. Since NaOH is handy, biodiesel producers use a NaOH solution to titrate the fatty acids. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
I usually make up a liter of 0.5% w/v solution of NaOH. Other people use 0.1% w/v solutions, but I get more accuracy with 0.5%w/v. Problem 25: How many grams of NaOH do you need to make one liter of 0.5% w/v NaOH solution (remember 0.5% w/v is 0.5g/100mL)? I will then measure out 5 mL of the used oil. The problem with oil is that it won't mix with the NaOH solution that we will be adding to the oil. So I dissolve the oil in about 30mL of pure isopropyl alcohol. The alcohol dissolves both oil and water. That way the OH- in the NaOH solution can get to the H+ in the fatty acids in the oil. |
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You have to use an indicator to know when the pH of the oil changes from acid to alkaline. Phenolphthalein is a common pH indicator. It turns pink when the solution becomes alkaline. So a few drops of phenolphthalein is added to the oil/isopropyl alcohol mixture. When the NaOH solution is dripped into the oil, the OH- will neutralize the H+ the fatty acids. At the point all fatty acids get neutralized an extra drop of NaOH causes the solution to have excess OH- ions and the phenolphthalein turns the clear oil/alcohol solution to pink. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Let us say I fill the buret to the 20.0 mL mark with the 0.5% w/v NaOH solution. At the point the color changed, the level was then 16.6 mL. So it took 3.4 mL of my 0.5% w/v solution to neutralize the fatty acids in the 5 mL of oil. So now I need to neutralize the fatty acids in the batch of 20 gallons of used cooking oil that will get converted to biodiesel. Problem 26: How many extra grams of NaOH powder is needed to neutralize the fatty acids in that 20 gallons of use cooking oil based on that titration (L2)? (See spreadsheet below for setup). |
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Problem 27: This is the extra NaOH needed to neutralize the fatty acid in the oil. This is extra grams of NaOH. You still need to have 3.5 grams NaOH per liter. So what is the total grams of NaOH needed for these 20 gallons? Problem 28: Other biodiesel producers use a 0.1% w/v NaOH solution and only titrate 1.0 mL of oil. So what cells above would need to be changed? |
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05-Gases |
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Methanol is used as a fuel in Indy Car racing (at least until 2007, then switched to ethanol). The oxygen in methanol (CH3OH) gives it some built-in access to oxygen, which helps it burn faster. In biodiesel production, methanol is turned to methoxide, which attaches to the fatty acid side of the fat or oil. Because methanol is quite flammable, biodiesel processing should avoid any open flames. Only electric or solar heating should be used.
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The smaller white vat (red arrow) is where methanol and sodium hydroxide is mixed. Even after being drained, there will be methanol vapor present. Let's say a pressure gauge reads 15.6 psi and the thermometer reads 122°F. Problem 29: The volume of that vat is 30 gallons. How many grams of methanol vapor are still in that vat? (Remember to use PV=nRT. Use algebra to solve for "n" which is moles of methanol. Pressure has to be in atmospheres [14.7 psi=1 atmosphere]. Change gallons to liters. Change Fahrenheit to Celsius and then to Kelvin. R=0.0821atm·L/mole·K. After you find "n" (moles) change that to grams using the molar mass of methanol, which is 32g/mol. |
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06-Thermochemistry |
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Before the methanol/NaOH mixture (methoxide) is added to the cooking oil, the cooking oil must be heated up to 130°F. The electric heating element hangs on the side with the heating elements going down inside. Knowing the specific heat of oil, the amount of energy needed to heat it up can be calculated. The specific heat of vegetable oil is 1.917 joules per gram per °C. Here is a drum containing 100 gallons of oil. The density of the oil is 0.92g/mL. The heating element puts out 500 watts. |
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The specific heat of 1.917 joules per gram per °C (j/g·°C) tells us that we need units in joules, grams, and Celsius. We are not given the mass of the oil in grams only gallons. So gallons have to be converted to grams. Density is always your path from volume to mass. The specific heat units say that if we multiply by grams and Celsius, those will cancel and we will get joules of energy. One watt·second is one joule. If we divide by watts, the joules will cancel and we end up with seconds, which we can turn into minutes. Note, the order that I set up the multiplication below doesn't matter. As long as the units come out to minutes, it doesn't matter the order.
Problem 32: Why did I divide by 500 watts rather than multiply by 500 watts? Problem 33: A natural gas or propane heater would be faster in heating up the oil, but why are those not used when doing biodiesel production? Problem 34: Instead of using 100 gallons of oil for this problem, use your atomic number for the number of gallons. How many minutes would it take to heat up the oil? |
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08-Bonding: & 09-Covalent Bonding: |
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Problem 35a: Are the bonds covalent or ionic in methanol?
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Problem 35b: Are the bonds covalent or ionic in sodium hydroxide? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
On the left is a ball and stick model of methanol. The right side of the image is the same molecule but showing the charge distribution of methanol. Because oxygen pulls hydrogen's electron closer to itself, oxygen becomes partially negative (red region) and the hydrogen become positive (blue region). The hydrogen atoms attached to carbon do not have a partial charge because carbon and hydrogen atoms pull with almost the same strength (same electronegativity). Problem 36: When sodium hydroxide is added to methanol, the negative OH- ion is attracted to what part of the methanol molecule? |
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The bottom half of the image shows a ball-and-stick biodiesel molecule. The top part is a charge distribution model. Again, the red regions are partially negative and the blue region is positive. There are only a few complaints about biodiesel and one of them is that water is attracted to it more than water is to regular diesel. Problem 37: Why is water attracted to biodiesel? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Here is a segment of cellulose, which is made from chains of glucose. Both ball and stick model and charge distribution models are shown. Paper towels (cellulose fibers) are often used to trap water that might be in the used cooking oil before the process begins. Cellulose is also used to dry the biodiesel after it gets washed with water. Problem 39: What atoms show up as blue in the upper model? Problem 40: What atoms are responsible for the grayish regions in the charge distribution model? |
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Problem 41: This is methanol molecule again. What kind of hybridized bonds are carbon using? (Choices are sp, sp2, sp3). Problem 42: How many lone pairs does oxygen have? |
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This is the end of biodiesel that has the carbon with the 2 oxygen atoms. That carbon is using what kind of hybridized bonds to connect to the 3 atoms (2 O and 1 C) that it is bonded to. Problem 43: What bond angle (shown in yellow) is formed between the O-C-C? Problem 44: What two atoms share a pi bond in this image? Problem 45: On the methyl group on the left, what bond angle (shown in blue) is formed between the H-C-O bonds? |
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10-Liquid and Solids |
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After the reaction that creates biodiesel is finished, the glycerin is drained off, and then I recover the excess (unreacted) methanol. The boiling point of methanol is 65°C (148°F). So I heat up the biodiesel/methanol mixture to 65°C and the mixture boils. Methanol vapors go up to the bend and condense back to a liquid. Some liquid travels down the condenser (a tube within a tube) and then drips down in to the right side flask. Cold or cool water is run through the condenser to cool the vapors and liquid. See the below diagram for added clarity. There is still some glycerin in the mixture and we don't want that in the methanol. Since glycerin's boiling point is considerably higher than that of methanol, none will contaminate the methanol recovered. Problem 46: Look up and report the boiling point of glycerin. |
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My demonstration uses about half a gallon of biodiesel; however, most producers make 20 to 500 gallons at a time. I had a biodiesel co-op ask me about recovering 32 gallons of methanol from their 400 gallon biodiesel reactor tank. They needed a way to cool the methanol vapor. They wanted to use a 55 gallon barrel of water to cool the vapor and wondered if that was enough. That requires knowing the heat (enthalpy) of condensation of methanol. That value is the same as the heat of vaporization. Heat of vaporization needs energy (+ sign) and the heat of condensation releases energy (- sign). I searched for the both of them on the Internet because both values are the same. Here are the various values I found: |
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Heat of Condensation values: 3340 Btu/gal, 506 Btu/lb, 1100 kJ/kg , 35278 kJ/kmol
(Round the below answers to 2 significant figures) Before 12-14-10, spreadsheet had some incorrect column letters. Those are now fixed. Problem 47: What is the calories in H2? Problem 48: What is the calories in N6(was P6)? Problem 49: What is the calories in L10(was N10)? Problem 50: What is the calories in N14(was P14)? Problem 51: What does Btu mean? Problem 52: What formula goes in N6(was P6)? Problem 53: What cell canceled the "k" (kilo) in D10? Problem 54: I found one value for heat of condensation that actually used calories. It was 270 calories per gram. How many calories are released from the condensation of 32 gallons of methanol using that value? |
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Now that I knew how many calories the 32 gallons of methanol was going to released, I had to figure out how much that would raise the temperature of 55 gallons of water. These processors are usually outside, so in the summer, the barrel of water could easily be about 85°F (29°C) even before it starts to cool the methanol vapor. The average of the calories calculated in above spreadsheet is about 26,000,000. So I will go with that amount. One gram of water requires 1 calorie to raise it one degree Celsius. That's the specific heat of water, normally written as 1.0 cal/°C·g. All you need is to convert 55 gallons of water to grams and then it's pretty straight forward. The goal is to find out how hot the water will get if it absorbs 26 million calories. If it gets too close to the boiling point of methanol, then it's not suitable. Dimensional analysis means that we look at the dimensions of 26 million calories and 1.0 cal/°C·g. We see we can't multiply the two because we get calories times calories, which makes calories2, and that doesn't make sense. However, if we invert the 1.0cal/°C·g and get °C·g/1.0cal, we will get the calories to cancel and we get °C which is what we want. Notice in "°C·g/1.0cal" grams is in the numerator. To cancel that, you have to put gallons in the denominator. Gallons has to be converted to grams. |
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Problem 56: What goes in G3 and H3? |
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The answer of 124°C temperature rise means that the water would boil. If it started at 29°C, it's only 71 degrees to get to boiling. Also, once the water got over 65°C, it could no longer condense the methanol vapor because 65°C is the boiling point of methanol. I figured the water shouldn't get over 49°C to be efficient at cooling the methanol vapor. That's only a 20°C rise (49-29). Using 5 times more water, then the 124°C rise would drop five fold to 124/5 or 21°C rise. They would need five 55 gallon barrels or 275 gallons of water to cool the methanol vapor. This is why I suggested that the water in the 55 gallon barrel could be cooled by pumping some of the water to an evaporative cooler where evaporation of the water will cause cooling. The question then was how much heat energy is absorbed by water evaporating. The energy of evaporation is the same as the heat of vaporization. Problem 57: In Google, I did a search for "water heat of vaporization". Instead of the word "heat" what other word could I have used? |
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This chart shows the heat of vaporization of various solvents at different temperature. It even has methanol. This chart is in joules per mole. We used the value at the boiling point of methanol, 65°C (338K). For water, we will try to keep the water in the 55 gallons about 100°F (38°C/311K). At that temperature, I read the chart as 43,500 J/mol. So the evaporation of water will absorb 43,500 joules of heat per mole of water. The question will be how many gallons of water do we need to evaporate to cool off the 26 million calories from methanol condensing. It would be easier to give the answer in moles of water but the average person wants the answer in gallons. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Problem 58: Why did I invert the Heat of vaporization in columns C and D? |
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Earlier this semester I was amused by a TV commercial for a new cholesterol reducing drug that was essentially biodiesel. It's called "Lovaza". They call it the ethyl esters of fish oils. Biodiesel is the methyl esters of oils. Methanol is usually used to make biodiesel, but ethanol can also be used. Ethanol is not used as much because it's harder to buy 100% ethanol because of the licenses required; however, ethyl esters of oils and fats are also biodiesel. This drug is biodiesel using ethanol and fish oil as the starting materials. The main fatty acid in fish oil is eicosapentenoic acid. An image of the ethyl ester of the eicosapentenoic acid fatty acid is on the left. Eicosapentaenoic acid is one of the healthy "omega-3" polyunsaturated fatty acids. The omega end is at the end of the long chain. Omega-3 is referring to the third carbon from the end. That's where there is a double-bond. That's call unsaturated because there are fewer hydrogen atoms on the carbons. If satured with hydrogen atoms, there's just a single bond. Problem 66: "Penta" means five. Why is "penta" used in the name? |
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Extra Credit Problems |
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Talcum powder is often used to clean up raw biodiesel. They don't use the perfumed type. The most common brand is Magnesol, named after the type of clay that talcum powder comes from, which is magnesium silicate. Bonus 1: What is the formula for magnesium silicate? Bonus 2: Magnesium silicate attracts these contaminants in the biodiesel: glycerin, sodium hydroxide, soap, and fatty acids. Why does magnesium silicate attract these? |
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On the TV show, Dirty Jobs, they did one episode about making biodiesel. Making biodiesel wasn't that dirty but the host, Mike Rowe cleaned up the fryer at the Mexican restaurant where they got the used cooking oil. During the testing of the oil for fatty acids, the owner used a magnetic heater/stirrer. Mike Rowe was fascinated by that piece of laboratory equipment. Bonus 3: Attach an image of a magnetic stirrer for extra credit or describe why it is used in chemistry labs. |
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The Veggie Van: Biodiesel got a lot of publicity when Josh Tickell drove around the United States for about 2 years and 25,000 miles just on the cooking oil he would collect at fast food restaurants. He converted the oil to biodiesel. At the Veggie Van website, they list 10 things people can do to make us more energy independent. Bonus 4: What are those 10 suggestions? Here's the Web page: http://www.veggievan.org/schools/ |
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Instead of animal fat or vegetable oil as the feedstock for biodiesel, oils from algae show a lot of promise. ASU has a department that specializes in algae research. Below is a link to that department's page on Algae-based biofuel production. Bonus 5: In the article, there is this sentence: |
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Bonus 6: There's one person selling a book on making algae biodiesel at home and produced a video to promote it. Even though I'm all for alternative fuels, I'm a little skeptical of his claims. But it's still interesting. What are some of the things it says the book will teach you. Below is the link to the video.
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Congratulations on getting through the online final exam. I'm sure you are exhausted. Take a breather. You deserve it. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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