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−海水中の溶存酸素の測定(ウィンクラー法)−水を調べるT

 はじめに

 水に溶けている酸素分子O2の濃度を溶存酸素(Dissolved Oxygen , DOといい,水1L中に含まれている酸素の体積で表すmL/L。 水中で生活している生き物は,水に溶けている酸素を使って呼吸しているので,生きていくためには水中の酸素が不可欠である。その酸素は大気中から溶け込んだり,海の表層では植物プランクトンの光合成によって作られている。海では生き物(有機物)が死ぬと海底に向かって沈んでいくが,その途中でバクテリアによって分解され,そのとき酸素を消費するので,一般に深いところほど酸素の量は減少する。近年,湾では長雨や夏場の水温上昇等により海水の鉛直混合が停滞し,それによって発生した貧酸素水による漁業被害が報告されている。また,人工河川 (運河)のような潮汐(潮の満ち引き)による海水の影響が及ぶ場所では,魚が大量死することがある。身近な水域の溶存酸素を測定し,生き物が生活しやすい環境について考えてみよう。


1 測定原理
 溶けている酸素が水酸化マンガンMn(OH)3のかたちで固定される【反応式A】。そこへヨウ化カリウムと硫酸を加えてヨウ素を遊離させ【反応式B】,濃度の分かっているチオ硫酸ナトリウム水溶液で滴定する【反応式C】。

  【反応式】
  @Mn2 + 2OH  Mn(OH)2↓ (コロイド状白色沈殿)
   A2Mn(OH)2 + 1/2O2 + H2O  2Mn(OH)3 (褐色沈殿)
   B2Mn(OH)3 + 2I + 6H  2Mn2 + I2 + 6H2O
  CI2 + 2S2O32  2I + S4O62
    ※酸化剤I2と還元剤S2O32−による酸化還元滴定(ヨウ素滴定)


2 準備
  【採水道具】
   酸素ビン,バケツ,シリコンチューブ,駒込ピペット,温度計,
pHメーター
  【分析器具】
   メスフラスコ,ホールピペット,ビュレット,駒込ピペット,三角フラスコ,コニカルビーカー
  【薬品】
   塩化マンガン(U)4水和物(特級)
MnCl2・4H2O,水酸化ナトリウムNaOH,ヨウ化カリウムKI,硫酸H2SO4
   塩酸
HCl,可溶性デンプン,酢酸CH3COOH,チオ硫酸ナトリウム(ハイポ)Na2S2O3・5H2O
   ヨウ素酸カリウム
KIO3
   
★注意点★
    
水酸化ナトリウムと硫酸は,医薬用外劇物である。取扱いには十分注意する。
    
実験後の廃液には有害物質は含まれていないので,流しに捨ててよい。


3 試薬の作り方

【水試料採取時に野外で使用する試薬】
 ●固定液T(2mol/L塩化マンガン水溶液) → 褐色容器に保存
  塩化マンガン200gを蒸留水に溶かし,全体を500mLとする。濃塩酸を2mL加える。
  ※硫酸マンガンで代用可
 ●固定液U(0.6mol/Lヨウ化カリウム+8mol/L水酸化ナトリウム混液) → 褐色容器に保存
  水酸化ナトリウム160gを400mL程度の蒸留水に溶かし,これにヨウ化カリウム50gを溶かして全体を500mLとする。
  ※ヨウ化ナトリウムで代用可
  ★注意点★
 水酸化ナトリウムを溶かすときにかなり発熱するので,ビーカーを冷却しながら行うとよい。また,この混液を保存する容器がガラス製の場合は,ガラス栓の代わりにゴム栓を使用する。
【実験室で使用する試薬】
 ●5mol/L硫酸
  濃硫酸(約18mol/L)140mLを蒸留水で希釈して,全体を500mLとする(3.6倍希釈)。
  ★注意点★
 濃硫酸を希釈するときは,必ず多量の水に濃硫酸を静かに加える。この逆(濃硫酸に水を加えること)は,突沸などを伴い危険である。また,かなり発熱するので,ビーカーを冷却しながら行うとよい。
 ●1%デンプン溶液(指示薬)   ※W/V %
  1gの可溶性デンプンを80mLの沸騰した蒸留水に加え,完全に透明になるまで煮沸する。放冷後,さらに蒸留水を加えて全体を100mLとする。防腐剤として酢酸5mLを加える。
 ●0.001667mol/Lヨウ素酸カリウム標準溶液 → 褐色容器に保存
  滴定で使用するチオ硫酸ナトリウム水溶液の濃度を正確に決める(標定する)ための試薬である。ヨウ素酸カリウム0.3567gを蒸留水に溶かし,全体を正確に1Lとする。
 ●0.02mol/Lチオ硫酸ナトリウム水溶液
  沸騰させて(炭酸ガスを追い出す)から冷却した蒸留水にチオ硫酸ナトリウム約5gを溶かし,全体を1Lとする。この水溶液は,調整直後に濃度変化を起こす可能性があるので,24時間以上放置してからヨウ素酸カリウム標準溶液で標定する。

  4 チオ硫酸ナトリウム水溶液の標定
     
(分析の前後に行う)
 コニカルビーカーに蒸留水を30mL取り,ヨウ素酸カリウム標準溶液10mLを正確に量って入れる。5mol/Lの硫酸を1mL加え,さらに固定液Uを1mL加えてよく振り混ぜ,ヨウ素を遊離させる(→黄色)。その後,固定液Tを1mL加えて滴定を行う。

     【反応式】 DIO3 + 5I + 6H  3H2O + 3I2

遊離ヨウ素をチオ硫酸ナトリウム水溶液で滴定

ビュレットにチオ硫酸ナトリウム水溶液を入れて目盛りを読む。
振り混ぜながらチオ硫酸ナトリウム水溶液を滴下する。

うすい黄色になったらデンプン溶液を1mL加える。→青紫色
さらに滴定を続ける。
終点

青紫色が消えたところを終点とする。
ビュレットの目盛りを読んで滴定量を求める。

  5 採水方法(野外)

   採取する水に空気中の酸素が溶け込まないように注意する。

 名古屋市内を流れる堀川(松重閘門)

水面に近づけない場所では,バケツにロープをしっかり付けて採水する(表面採水)。
水温を測るためには,バケツをしばらく水になじませて,
  『水の温度=バケツの温度』
にする。
 
水温測定
採水

シリコンチューブを使ってバケツの水を口で吸い上げ,チューブの内部を水で満たしたところで口を離すと,先から水が出てくる。
  (サイフォンの原理)
ホースの先を酸素ビンの底まで入れ,容量の3倍程度の水をあふれさせたあとの水を採る。(1,2杯目の水には,ビンの中の酸素が溶け込んでいる可能性がある)
酸素固定

ピペットの先を静かに水の中に入れ,固定液TとUをそれぞれ1mLずつ加える。
固定液Tを入れた直後は色の変化はないが,固定液Uを入れた直後は乳白色に変化する。
気泡が入らないように,静かに栓をする。
振り混ぜる

栓をしっかり押さえて,30回程度強く振り混ぜる。溶存酸素が多いときは沈殿の色は褐色になり,少ないときはMn(OH)2が残るので白色に近い色になる。
 
pH測定

測定前にpH標準液を用いて3点校正(キャリブレーション)を行う。〔pH4.0 pH7.0 pH9.0〕

6 分析(実験室)

野外で酸素固定した試料水

Mn(OH)3褐色沈殿として酸素が固定されている。
酸素ビンには,栓をした状態でのビンの容積が記されている。
 (
写真は106.1mL)
沈殿を溶かすために硫酸を1mL加える。
遊離ヨウ素をチオ硫酸ナトリウム水溶液で滴定

試料水を蒸留水で洗い出し,すべて三角フラスコへ移す。このとき褐色沈殿は溶け,ヨウ素が遊離して黄色になる。
ビュレットにチオ硫酸ナトリウム水溶液を入れて目盛りを読む。
振り混ぜながらチオ硫酸ナトリウム水溶液を滴下する。
 
うすい黄色になったらデンプン溶液1mL加える。
 
青紫色になる
さらに滴定を続ける。
終点

青紫色が消えたところを終点とする。
ビュレットの目盛りを読んで滴定量を求める。

 7 溶存酸素量の計算式の作り方
   初めに,チオ硫酸ナトリウム水溶液の正確な濃度C〔mol/L〕を求める。
  
反応式DCより,
    
 【I2                      S2O32
     0.001667 
× (10/1000) × 3  : C × (Vstd/1000) = 1 : 2
     これより C = (0.01×10)/Vstd
 
  次に,試料水の体積 = Vbot−2〔mL〕  ※固定液TとUで置き換わった試料水の体積(2mL)
         実在酸素気体1molの体積(標準状態) = 22392mL
     反応式ABCより,
     
【I2                             S2O32
    
 [{O2×〔(Vbot−2)/1000〕}/22392] × 2 : (0.01×10/Vstd × V/1000 = 1 : 2
     これより計算式は

 O2 ={V×10×0.01×5598}÷{Vstd×(Vbot−2)}
 ※厳密には,計算するときに「試薬に溶けている酸素」を除く必要があるが,ここでは省略する。
   O2 試水中の溶存酸素量mL/L
  V 試水に対するチオ硫酸ナトリウム水溶液の滴定量mL
   10標定時に量り取ったヨウ素酸カリウム標準溶液の体積mL
   Vstd 標定時のチオ硫酸ナトリウム水溶液の滴定量mL  注:stdstandardize(標定)
     Vbot 酸素ビンの容積mL  注:bot=bottle

 8 分析結果の例
  
(名古屋市内を流れる堀川)

日時 場所 表面水温〔℃〕 pH 溶存酸素量〔mL/L
2008,8,5,14:40(干潮) 熱田区大瀬子橋 31.0 6.9 6.08
2008,8,18,18:40(満潮) 熱田区大瀬子橋 29.4 7.8 8.85
2008,12,7,12:30(満潮) 中川区松重閘門 15.0(日向) 6.7 3.40
2008,12,7,13:15(満潮) 北区志賀橋 1.2(日陰) 6.6 7.15

 9 生物に影響を与える溶存酸素濃度レベル   

    国土環境株式会社
HPより(日本水産資源保護協会「漁場環境容量策定事業報告書第1分冊,平成元年3月」)

魚類 甲殻類 貝類
生理的変化を生じる濃度レベル 3.0mL/L以下 3.0mL/L以下 2.5mL/L以下
致死濃度レベル 1.5mL/L以下 2.5mL/L以下

     この表より,少なくとも3.0mL/Lの溶存酸素濃度を維持しなければならないことが分かる。


 参考文献
  海洋観測指針(1963),(財)気象協会,p148-156
  海洋観測指針(1999)気象庁p48-63.
  湖沼調査法 増補改訂(1957),西條八束 著,古今書院,p98-107


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