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ウィンクラー試験は、水サンプル中の溶存酸素濃度を測定するために使用されます。溶存酸素 (DO) は、水質研究や水再生施設の日常的な操作において、酸素飽和度の分析に広く使用されています。
この試験では、過剰量のマンガン(II)塩、ヨウ化物(I − )イオン、および水酸化物(OH − )イオンを水サンプルに加え、Mn(OH) 2の白色沈殿物を形成させます。この沈殿物は、水サンプル中に存在する酸素によって酸化され、マンガンがより高度に酸化された状態(Mn(III)またはMn(IV))にある 茶色のマンガン含有沈殿物になります。
次のステップでは、強酸（塩酸または硫酸）を加えて溶液を酸性化する。すると茶色の沈殿物がヨウ化物イオン（I − ）をヨウ素に変換する。溶解した酸素の量は、チオ硫酸溶液によるヨウ素の滴定に正比例する。[1] 今日では、この方法は比色法の修正版として効果的に使用されており、茶色の懸濁液を酸性化することで生成された三価のマンガンがエチレンジアミン四酢酸と直接反応してピンク色になる。[2]マンガンはエチレンジアミン四酢酸と色反応を起こす唯一の一般的な金属であるため、他の金属を無色の錯体として隠すという追加の効果がある。
歴史
このテストはもともとルートヴィヒ・ヴィルヘルム・ヴィンクラー（後の文献ではラヨシュ・ヴィンクラーと呼ばれる）が、1888年にブダペスト大学で博士論文を執筆中に開発した。 [3]溶存酸素の量は、水塊の生物学的活動の尺度である。水中に存在する植物プランクトンと大型藻類は、光合成によって酸素を生成する。 細菌と真核生物（動物プランクトン、魚類）は、細胞呼吸によってこの酸素を消費する。これら2つのメカニズムの結果が溶存酸素濃度を決定し、それが今度はバイオマスの生産を示す。水中の酸素の物理的濃度（または生物が存在しない場合は理論上の濃度）と実際の酸素濃度の差は、酸素の生化学的要求量と呼ばれる。ウィンクラーテストは100％正確ではなく、同じ一定のサンプルを使用しているにもかかわらず、酸素レベルがテストごとに変動する可能性があるため、しばしば議論の的となっている。
化学プロセス
最初のステップでは、硫酸マンガン(II) (全量の 48%) を環境水サンプルに加えます。次に、ヨウ化カリウム(水酸化カリウム70%中 15% ) を加えて、ピンクがかった茶色の沈殿物を作ります。アルカリ溶液では、溶存酸素がマンガン(II) イオンを四価の状態に酸化します。
- 2 Mn 2+ (水溶液) + O 2 (水溶液) + 4 OH - (水溶液) → 2 MnO(OH) 2 (水溶液)
Mn は 4+ に酸化され、MnO(OH) 2 は茶色の沈殿物として現れます。酸化されたマンガンが 4 価か3 価かは不明です。一部の情報源では Mn(OH) 3 が茶色の沈殿物であると主張していますが、水和した MnO 2も茶色になることがあります。
- 4 Mn(OH) 2 (s) + O 2 (aq) + 2 H 2 O → 4 Mn(OH) 3 (s)
ウィンクラー試験の 2 番目の部分では、溶液を還元 (酸性化) します。H + がO 2−および OH −と反応して水が形成されるため、沈殿物は溶液に戻ります。
- MnO(OH) 2 (s) + 4 H + (水溶液) → Mn 4+ (水溶液) + 3 H 2 O (l)
酸は、マンガンを含む茶色の沈殿物によってヨウ化物イオンを元素ヨウ素に変換することを促進します。
酸によって形成されたMn(SO 4 ) 2はヨウ化物イオンをヨウ素に変換し、それ自体は酸性媒体中でマンガン(II)イオンに還元されます。
- Mn(SO 4 ) 2 + 2 I − (水溶液) → Mn 2+ (水溶液) + I 2 (水溶液) + 2 SO2−4
...(あ)
チオ硫酸塩はデンプン指示薬とともにヨウ素を 滴定するために使用されます。
- 2S
2お2−3
...(水溶液) + I 2 → S
4お2−6
2−6(水溶液) + 2 I − (水溶液)
分析
上記の化学量論方程式から、次のことがわかります。
- 1モルのO 2 → 2モルのMnO(OH) 2 → 2モルのI 2 → 4モルのS
2お2−3
...
したがって、生成されたヨウ素のモル数を決定した後、元の水サンプルに存在する酸素分子のモル数を計算することができます。酸素含有量は通常、1 リットルあたりのミリグラム (mg/L) で表されます。
制限事項
この方法が成功するかどうかは、サンプルの取り扱い方に大きく左右されます。すべての段階で、サンプルに酸素が混入したり、サンプルから酸素が失われないようにする必要があります。さらに、水サンプルにはヨウ素を酸化または還元する溶質が一切含まれていてはいけません。
ウィンクラー試験は今でも機器の校正を確認するために使用されていますが、溶存酸素を測定する機器による方法がウィンクラー試験の日常的な使用に広く取って代わりました。
取締役会5
5 日間の生化学的酸素要求量(BOD 5 ) を決定するには、サンプルを数回希釈し、暗所で 20 °C で 5 日間培養する前と後の溶存酸素を分析します。場合によっては、サンプル内の有機物を消費しながら酸素を摂取するための標準化されたコミュニティを提供するためにバクテリアが使用されます。これらのバクテリアは「シード」と呼ばれます。DO の差と希釈係数を使用して BOD 5を計算します。結果の数値 (通常は 100 万分の 1 または 1 リットルあたりのミリグラムで報告されます) は、下水やその他の汚染された水の相対的な有機強度を決定するのに役立ちます。
BOD 5テストは、サンプル内の物質のクラスを決定する分析の例です。
ウィンクラーボトル
ウィンクラー瓶は、ウィンクラー試験を行うために特別に作られた実験用ガラス器具です。これらの瓶は円錐形の蓋とぴったりとフィットするストッパーを備えており、蓋を密閉したときに気泡を排除するのに役立ちます。これは、閉じ込められた空気中の酸素が測定に含まれ、試験の精度に影響を与えるため重要です。[4]
参考文献
- ^ 沼子千也、中井泉 (1995). 「分析化学で使用されるいくつかの沈殿および着色反応のXAFS研究」Physica B: Condensed Matter 208– 209 ( 1– 4): 387– 388. Bibcode :1995PhyB..208..387N. doi :10.1016/0921-4526(94)00706-2.
- ^ AH de Carvalho、JG Calado、ML Moura、Rev. Port。クイム、1963、5、15
- ^ ラホス・ウィンクラー(1888)。 「ヴァッサー・ゲロステン・ザウエルストッフスの最高の死を」。Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft。21 (2): 2843–2855。土井:10.1002/cber.188802102122。
- ^ Whitney King、「Winkler滴定法 - 溶存酸素の測定」、Colby at Sea、2011年2月11日、2012年7月11日に取得およびアーカイブ。
さらに読む
ウィキブックの学校科学には、溶存酸素のウィンクラーテストに関するページがあります。
- モーラン、ジョセフ・M.、モーガン、マイケル・D.、ウィアースマ、ジェームズ・H. (1980)。 環境科学入門（第2版）。WHフリーマン・アンド・カンパニー、ニューヨーク、NY ISBN 0-7167-1020-X
- イートン、アンドリュー D.、グリーンバーグ、アーノルド E.、ライス、ユージン W.、クレセリ、レノア S.、フランソン、メアリー アン H. 編 (2005)。水と廃水の検査のための標準方法(第 21 版)。アメリカ公衆衛生協会。ISBN 978-0-87553-047-5CD-ROM およびオンライン購読でもご利用いただけます。
- 「標準操作手順 EAP0 23、バージョン 2.5。溶存酸素の収集と分析 (ウィンクラー法)」。ワシントン州環境局。2017 年 7 月。
- YC Wong & CT Wong. New Way Chemistry for Hong Kong A-Level Volume 4 、 p . 248。ISBN 962-342-535-X
- マンガン(III)は一貫して主張されている[1]（注：MnO(OH) 2の形成に関する不均衡な式を示す）。マンガン(III)は一貫してマンガン(IV)を与えると主張している。[2] [3] [4]