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アルカリ度について

現場で測定するアルカリ度についての解説

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アルカリ度とは
アルカリ度の起源
CO₂(gas)の水への溶解のしくみ
炭酸塩鉱物の水への溶解のしくみ
現場アルカリ度測定のための0.05Nの塩酸をつくる

はじめに

　アルカリ度は、pHやORP・水温などのように、現場で測定する基本的な調査項目である。
　しかしその内容について、日本の教科書にはほとんどと言って良いほど解説が載っていない。そこで自分なりに勉強したノートをここに公開する。
　自分で勉強した内容であるので、間違いもあるかもしれない。もし間違っていたら、ぜひともご教授をお願いしたい。

アルカリ度とは

　アルカリ度は、炭酸（H₂CO₃）、炭酸イオン（CO₃^2-）、炭酸水素イオン（HCO₃^-）、OH^-や、量的にわずかであるが一部の有機酸や弱酸の塩（ケイ酸、リン酸、ホウ酸）などの酸を消費する成分が、試料中にどれだけ含まれているかを表示する方法の一つである。なお計測した値については、水中にあらかじめ含まれている水素イオン（H⁺）に注意が必要である。

　　[Alk] = [HCO₃^-] + [CO₃^2-] + [OH^-] - [H⁺]

注）炭酸(Carbonic Asid)：水溶液中にのみ存在する。二酸化炭素が水に溶解すると、CO₂ + H₂O <-> H₂CO₃の平衡によって炭酸を生じる。単離することはできない。アルカリ金属塩は、融剤として利用される。カルシウム塩マグネシウム塩は、炭酸塩鉱物や堆積物として、分布している。

アルカリ度を求める試験

　試験対象水をある一定のpHになるまで、酸標準液にて滴定を行う。このときに要した標準溶液の量を１Lあたりのmg等量(meq/L)として表現する。
　なお一般的な浅層地下水では、ｐＨが８以下である事が多いため、以下に示すｐＨ8.3アルカリ度は０（ゼロ）である。従って通常はｐＨ4.8アルカリ度にて測定する。

名称	滴定用標準溶液	終点のｐＨ	指示薬	終点の色	備考
ｐＨ4.8アルカリ度（Ｍアルカリ度）	HClまたはH₂SO₄ （使用する濃度は、試験水のアルカリ度による。きれいな日本の地下水では0.01N、バ国の浅層地下水では0.05Nなど。）	4.8	メチルレッド－ブロムクレゾールグリーン（MR-BCG）	灰紫色	・pH5、4.8、4.3のアルカリ度は、いずれも測定結果はほぼ等しい。・指示薬としてMR(methylred)混合指示薬やMO(methylorange)指示薬を使うことから、別名Mアルカリ度と呼ばれてる。・Mアルカリ度は、水中のアルカリ分の総量に対応するため、総アルカリ度とも呼ばれる。
ｐＨ8.3アルカリ度（Ｐアルカリ度）	同上	8.3	フェノールフタレイン（PP）	無色	・pH8.3およびpH9アルカリ度は、いずれも測定結果はほぼ等しい。・指示薬としてフェノールフタレイン(phenolphthalein)やその混合指示薬を使うことから、別名Pアルカリ度と呼ばれる。・Pアルカリ度は、アルカリ成分のうち水酸イオン(OH^-)量に対応するため、一般的な地下水は８以下であることから、Pアルカリ度は０となる。

アルカリ度の起源

　地下水のアルカリ度の起源は一般的に３つ考えられており、これらの指標として捉えられることが多い。
　一つは、地質（炭酸塩鉱物）との関係。
　二つ目は、炭酸ガスの成因として、生物の関与があることがあげられる。土壌や地層中のバクテリアなどの生物の呼吸作用でCO₂が発生するとともに、その代謝物として生産される有機酸がバクテリアにより分解され発生する場合もある。また炭酸ガス以外も、代謝物としての有機酸もアルカリ度を高くする。
　三つ目は、人間や動物の排泄物や死骸、腐敗した有機物、工場排水などにもアルカリ分は含まれており、当然アルカリ度を高くする。

　このような地下水中のアルカリ度を増加させる主な反応は以下の通り。

有機物の酸化
　溶存酸素による有機物の酸化により、結果CO₂が発生する。
脱窒反応
　硝酸還元バクテリアの活動により、硝酸・亜硝酸はN₂とCO₂に分解される。
硫酸還元反応
　硫酸還元バクテリアの活動により、有機物によりSO₄^2-が還元される。
　　2CH₂O + SO₄^2- -> 2HCO₃^- + H₂S
　なおH₂Sは地下水中のFe2+と結合して、FeS₂となって沈殿する場合が多い。
メタン発酵
　強還元状態下では、発酵バクテリアの活動により、有機物の分解が進みメタン(CH₄)とCO₂が生成される。
炭酸塩鉱物の溶解
　CaCO₃(solid) <-> Ca²⁺ + CO₃^2-

CO₂(gas)の水への溶解のしくみ

　CO₂ガスが地下水へ溶け込むと、以下のような現象が起きる。

＜執筆途中＞

炭酸塩鉱物の水への溶解のしくみ

　CaCO₃が地下水へ溶けると、以下のような現象が起きる。

＜執筆途中＞

現場Mアルカリ度測定のための塩酸について

塩酸の規定濃度を想定する

アルカリ度は以下の式から求める。
アルカリ度(meq/L)＝滴定量(mL)×1000／試料水量50mL×規定濃度×ファクター
バングラデシュのアルカリ度を例えば３meq/Lとすると
３＝滴定量×1000/50×塩酸濃度×１
おおむね滴定量は50mLに対して３mL位がよいので、
３＝３×20×塩酸濃度
塩酸濃度＝３／（３×20）＝0.05
となるので、塩酸の規定濃度は、0.05Nとなる。

現場アルカリ度測定のための0.05Nの塩酸をつくる

　バングラデシュなどの発展途上国の地下水は、一般的にアルカリ度が高い。従って、通常の日本国内で用いられている0.01Nの塩酸よりも濃度の高い、0.05Nの塩酸にてアルカリ度を測定する。

　なお0.05Nで測定した場合、試験水50(mL)では、上式により滴定量がそのままアルカリ度(meq/L)となる。

作成の概要

はじめに0.5Nの塩酸をつくり、これで正確に力価（ファクター）の検定を行い、次にこの力価を基にして、正確に0.05Nの塩酸をつくる。

作成手順：

0.5Nの塩酸をつくる
- 濃塩酸0.5Nの作成：10.1(g)×５＝50.5(g)を量りとり、ある程度水を満たした１(L)のメスフラスコに入れ、１(L)にする。（10.1gで約0.1N）
- なお後で薄めることから、力価は１より若干高めにしなければならない。従って、気持ち多めに濃塩酸を入れる。使う塩酸は、精密分析用。（ヒ素がほとんど含まれていないものを使う事）
- 濃塩酸の濃度は約36(wt%)である。よって1(g)あたりのモル数は以下のようになる。
  　HCl(Mole/gm)＝(36/100)/36.5
  　＝0.0099（約0.01N）
力価の検定
- 0.1NのNa₂CO₃溶液をホールピペットで正確に25(mL)とり200(mL)の三角フラスコに入れる。ここに水を入れ、約100(mL)にしておく、そしてBCG-MR指示薬を数滴入れる。
- ここに１で作成した0.5Nの塩酸を滴下する。
- 液が灰色（やりすぎると赤になる、赤にしないように注意）になったところ（５mLがf=１なので、これを目安にしておくと良い）で、三角フラスコをバーナーなどで加熱し、沸騰させて液中に溶存するCO₂ガスを追い出す。すると若干青に戻る。
- その後さらに0.5Nの塩酸の滴下を行い、液が赤く変化した点を終点とする。
- 例として始点を13.12、終点を18.10として計算を行う。
  　ｆ＝（5×(0.05×(1000/25))）／a　　ここにa：滴定量
  　従って
  　　ｆ＝5/4.98
  　　＝1.0040
出てきた0.5Nの力価にて、正確な0.05Nの塩酸を作成する。
- この0.5Nの力価をもとに、正確な0.05Nの塩酸を１L作成する。
  　　1000mL×0.05N＝ｘ×0.5N×1.0040
  　　x＝（1000×0.05）／（0.5N×1.0040）
  　　　＝99.60mL
- 従って99.6mLの0.5N(f=1.0040)塩酸を１Lにすれば、正確な0.05Nの塩酸となる。

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