大学化学実験カリキュラムでの環境教材 一吸光法による N ω 濃度マップ作成一
小 松 原 恵 子 * } ) ・ 大 橋 ゆ か 子 *2)
An E n v i r o n m e n t a l M a t e r i a l i n t h e C h e m i s t r y E x p e r i m e n t Program f o r U n d e r g r a d u a t e S t u d e n t s
K e i k o K o m a t s u b a r a ， Yukako O h a s i
抄録
我々は基礎的化学実験項目の中に紫外可視分光法の応用例として大気汚染物質の簡易測定法を 組み込んだ。簡易測定法は 1日の吸着量を発色させる方法であるので自動計測の数値と比較する ことにより、 ppm単位に換算した。樹木の多い庭では常にN02の濃度は他の測定点に比べて低い 値であった。緑地では明らかに濃度が低く、植物による吸収効果が顕著であった。構内の工事中 の箇所で遮蔽されていた時期に、値が低くでたところでも工事終了後は高濃度となり分布は局所 的に変化し障害物の影響を受けやすいことが解った。構内のN02濃度マップの作成により、 N02 濃度を決める要因に気づくo学内で、はO.
∞
9‑0.<EOppmの違いがあったO また埼玉県環境生活部大気水質課の自動計測データの提供をうけそれを分析することにより、気体成分間の関係が解っ た。
1 .はじめに
我々は、本学教育学部理科専修の化学実験 を担当しているが学習効果を上げる方法の 1 っとしてできるだけ身近な物質や現象を取り 入れている。
今回は、紫外可視分光法の実験項目に応用 例として大気汚染物質N02の簡易測定を組み 込んだ。単純にN02濃度を測定するだけでは なく、多人数が同時に測定するという授業形 式の特徴を生かして大学構内のN02濃度マツ
*1)こまつばら けいこ 文教大学教育学部
*
2)お お は し ゆかこ 文教大学教育学部プを作成させた。簡易測定法は1日のN02吸 着量を発色させる方法であるので、自動計測 の数値と比較することのより、吸光度をppm 単位に換算して環境基準と比較するようにし た。大学構内でもN02濃度にかなり幅があり、
樹木の影響も明瞭にみられたことから学生は 大気汚染を実感として捉えることが出来たよ
うである。
2 .
測定条件の検討測定法は、図1に示した天谷式簡易測定法 を用いた。(1) 捕集びんの漉紙に20010トリエ タノールアミン溶液を4滴滴下してしみ込ま
大 学 化 学 実 験 カ リ キ ュ ラ ム で の 環 境 教 材 一 吸 光 法 に よ るNOz濃 度 マ ッ プ 作 成 一
せ、70度で乾燥した後アルミホイルで遮光し、
口を下にして測定点に設置する。 24時間後に 回収し、発色液をいれ25tで15分放置した後 可視分光光度計で、540nmで、吸光度をはかる方 法である。
多勢の学生が同時に測定することから測定 条件の敏感さを調べる予備実験を行った。
2 ‑1 .発色前の保管時間の影響
図2 (a)は、回収時に捕集びんに栓を して発色きせずに暗所に保管した場合の時 間変化を示している。横軸は日数で、 4日 目までは変化はなかったo
2 ‑ 2.発色後の時間変化
図2 (b)は、発色直後捕集びんに栓を して保存した場合である。冷蔵庫内、室内 暗所、室内のいずれも 1日経過すると吸光 度は約10%減少し、発色後はすぐに測定し なくてはならないことが解った。
2 ‑ 3 .恒温槽の温度と時間
図3(a)は、発色時の恒温槽の温度と 時間変化のグラフである。矢印で標準の条 件を示しているO 恒温槽の温度を10‑35度 に変えても差は認められなかったことから 通常の場合は恒温槽にいれなくても良いこ
とが解るo
また、恒温槽につけておく時間について は、 25度で5‑30分について測定したとこ
天谷式 N02 簡易測定法 捕集管内に漏紙
2 0 % トリエタノール アミンを 4 滴
7 0度で 3時間乾燥し 遮光する
測定地点に取り付け 2 4時間後に回収 発色液を 5ml 入れ
2 5度で 15 分おく 紫外可視分光計で測定 発 色 液
し一一」
密
4
栓N一 (1 ーナフチルエチレンジアミン 2 塩酸塩) +スルファニル酸+りん酸
図1 天谷式簡易測定法
『教育学部紀要j 文 教 大 学 教 育 学 部 鵜2集 1998年 4怯 原 恵 子 ・ 大 橋 ゆ か 子
未発色での日変化
(a)
O 2 3
発色後の日変化
‑ ー ー
ミ7 .
• •
O 2 3
i
F 室内暗所 • •
(b)
O 2 3
一 ー ‑ . • •
O 2 3
日
図2 日変化
大 学 イ 昨 実 験 カ リ キ ュ ラ ム で の 環 境 教 材 一 吸 光 法 に よ るN02濃 度 マ ッ プ 作 成 ー
ろほとんど差はみられなかった。
2 ‑4.試薬の量
図3 (b)は、捕集びんに漉紙をいれ、
20%トリエタノ}ルアミン溶液を4‑ 8滴 と変えて測定した。 4滴が鴻紙全面にちょ うどしみわたる量でこの量が最適であるこ とが解った。
発色液の量も 3‑ 7mlに変えて測定し た。体積変化を補正すると測定値は変わら なかった。
2 ‑ 5 .発色のよみとり
分光光度計のない場合でもおおまかな測 定ができるようにイメージスキャナーとカ ラープリンタでN02発色表を作成した。小 学校などで大気汚染を視覚的に学習するの
0.51
恒温槽での温度 0.4
Abs
(a) 0.3
O
O O O O
0.2
↑
0.1
10 20 25 却 35
温度 0.5
，
トリエタノールアミンの量
(b) 0.3 0.2i
• • ↑ •
0.11 '
6 8
4
滴
図3 恒温槽の温度と時間及び試薬の量
に利用できる口
3 . ppm
への換算N02環境基準は0.04‑0.06pp mで、あり、比 較するために換算表が必要である。埼玉県の 大気汚染常時監視測定地点に3本の捕集びん を設置し、埼玉県環境生活部大気水質課から 提供を受けたデータをもとに吸光度‑ppm換 算 表 を 作 成 し た 。 換 算 式 は 吸 光 度 (540nm) = 20.2X ppmで、あるoN02吸着量は ぴんの形によるので換算式は測定時と同じ捕 集ぴんと吸着時間について作る必要がある。
4 .
結果と考察4 ‑ 1 .学生実験の結果と学生による考察 以上の検討結果をふまえて、 1クラス20 人の学生が、 1地点につき 3サンプルずつ
0.5
恒温槽での保持時間 0.4
Abs
i 0 。 O O O
0.3
↑
0.1
5 10 15 20 30 時間/分
0.5
発色液の量 Abs
0.3
• ↑ •
0.1
3 5 7
ml
『 教 育 学 部 紀 要 』 文 教 大 学 教 育 学 部 飽2集 1998年 小松原恵子・大橋ゆか子
6 月 N02 濃度 (ppm)
• 0.035~ O.025"'0034@ 0 . 0 1 5 " " ' 0 . 0 2 4 00.005"'0.014
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回
工事中￨
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図 4 大学構内の6月N02温度
大 学 化 学 実 験 カ リ キ ュ ラ ム で の 環 境 教 材 一 吸 光 法 に よ るN02濃 度 マ ッ プ 作 成 一
l 1 月 一 i
N 02 濃度
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図5 大学構内の6月及び1月N02濃度
『教育学部紀要j文 教 大 学 教 育 学 部 鯨2集 1998年 小松原恵子・大橋ゆか子
設置し、 30ヶ所の地点を測定した。実験科 目は、前記と後期に行われるので、マップ の作成は6月と 1月に行った。
図4は、 6月の測定である。全測定点の ppm値結果を0.01きざみでまとめ地図と一 緒に学生へ渡し、レポートを作成させた。
0.035 ‑ 1
0.030
Abs
0.025
0.020
0.015
0:010
5 6 7
格子の所は緑地、灰色の所は道路である口 レポ}トの考察欄でマップに見られるN02 濃度の特徴として、学生は次のような点を 指摘している。
N02の温度は矢印で示した道路ぎわでの 0.034pp mに対して道路から約3()n離れたケ
国
一 一 . 一 一 一
一・一柳
一一企一一
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A
8 9 1 1 12 2
月
図6 大学構内の緑地におけるN02濃度 (1997年5月‑1998年2月)
大 学 化 学 実 験 カ リ キ ュ ラ ム で の 環 境 教 材 ー 吸 光 法 に よ るN02濃 度 マ ッ プ 作 成 一
ヤキでは約2分の lになっている口
画面の格子で示した緑地では0.014ppm 以下になっており、植物によるN02の吸収 効果が顕著であった口
敷地中央は、車の出入りがあり、建物に 囲まれていて空気がたまりやすいことから 高い値になっている。
追加実験としてガス検知管(ガステック G V‑1
∞
S)を使用して、構内の最も汚染 されている地点と車から直接採取した排ガ スのN02濃度を測定し、比較させた。汚染 されている地点では検知管に反応はなく、車の排ガスは1ID‑‑‑200ppmの値で、あった。
4 ‑2.補充実験の結果と考察
図5は前記及び後期実験のマップを並べ たものである。矢印の緑地では、落葉樹が 多く、葉の落ちた1月は予想どうり緑地の N02濃度が高くなり、植物による吸収効果 が減少したことに対応するO 学生実験のな い期間も毎月 1回測定し、マップのを作成
した。
図6は緑地の月毎の測定結果を示したも のである。柳では8月まで、O.01ppmで、あっ たものが9月にO.04ppmと急に4倍になっ ている。この地点には、工事中の塀が作ら れており、 9月に撤去されたことから空気 の流れが変わったためと考えられる口この ようにN02濃度分布は障害物や樹木の影響 をうけ局所的に変化するo このためN02濃 度を自動計測する時、計測地点の選択が重 要であることが解った。
図7は本学専攻科木村の半年にわたる測 定結果をグラフにしたものである。 (2) 天 候によるデータのばらつきを減らすため、
各月とも 1週間継続測定し平均しているo
図に示した3地点、は、植物のないところ であるが、 9月から12月をみると全地点で N02値約 2倍に増加している。冬期には地 表面の温度が上層より低いため逆転層が形
成きれ排ガスの拡散が減少する口グラフに みられる季節変化はこれに対応するO
5. 自動計測データからのNO とN02
の分析市街地の大気中N02は主に自動車エンジン の排ガスに含まれるNOの酸化で生じる。(3) N02とNOの自動計測データを分析し、どの
ような濃度の関係が成り立っか検討したO 埼 玉県環境生活部大気水質課の大気汚染常時監 視測定局(越谷局)の1997年4月1日‑1997 年10月30日の測定データの提供を受けた。
図
8
は同時期のデータを縦軸に比 (N02/NO) 横軸に温度をとって 4時間ごとに区切 ってグラフにしたものであるO 温度の高くな る13‑16時にN02/NO濃度比はあがってい ない。このことから NO →N02~こ対する温度 による影響はないと考える。
N Oは水に溶けにくいがN02は溶けやすい 性質がある。大気中のN02は雨上がりに少な いのはこのためである。そこで湿度との関係 についてデータの分析をした。図9は縦軸に N02/NO濃度比、横軸に湿度をそれぞれと ってグラフにしたoNO→N02に対する湿度 の影響は認められない。
図10は、 1997:年4月1日から30日のデータ を横軸にNO濃度、縦軸にN02濃度をとりプ ロットしたものである。 4時間ごとに分けて 示したところ13‑16時、 17‑2明寺のグラフで は、他の時間帯とは異なり、 N02とNOがほ ぼ比例関係を示したo 5月‑10月のデータも 同様に2つのパターンに分けることができ たo5月‑9月は9-1~持も比例関係を示し、
10月は13‑1備だけが比例関係を示した。こ れ ら の 結 果 か ら 太 陽 光 線 の 強 い 時 間 帯 で は N02/NO比 は2‑4の一定値を示すことが 解ったO
NO、N02の生成・消滅過程は複雑である が、太陽光の関係する過程が2つ提案されて いるO (3)
『教育学部紀要j文 教 大 学 教 育 学 部 鰐2集 199~年 小松原恵子・大橋ゆか子
( 1 ) NO+ROOH
→N02+ ROH
過酸化物
(ROOH)
は排ガス中の炭化 水素が太陽光により変化して生ずるO(2)
N 0 2
→NO+O
生じた
O
はオゾンに変化し、NO
をN02
に変えるO
NO+03
→N02+ 03
( 1 )、(2 )の結果から 1日のサイクルの中 で
NO
発生→N02
発生→0 3
発生となり、各気 体濃度が最大値を示す時間は数時間ずつずれ ているといわれているO図11の13‑1倒寺に見られる直線関係は(1 ) の過程に対応すると解釈することが出来るo
一方、太陽光線が弱くなる17‑2備 で も 直 線 関係が見られることは(1 )より時間的に遅 れ て 起 こ る (2 )の過程で生じた03による
N02
の発生として理解できるo 21‑24時、 1‑ 8時の間は
0 3
も 減 少 し (2 )の過程もお さえられると考えられる。図12は1997年4月L日から同月30日までの
NO
とN02
濃度 (ppb)の経時変化をプロッ トしたものであるo これを見るとのNO
ピー クは午前中にあり、N02
のピークは夜中にな っている。NO
→N02
→0 3
の変化による各成 分の最大濃度時間のずれは数時間と考えられ ており、測定結果の大きなずれを説明するこ とはできない。NO
、N02
ピーク時間の大き なずれは図10で明らかになったようにNO
→N02
過程が1
つではなく、(1
)、(2 )のよ うな複数の過程が存在していることで説明で きる。ロスアンゼルスのデータとして今回と 同様にN02
が20時以降も上昇している例が報 告されている。今回自動計測データを分析することで気体 成分間の関係を知ることが出来た。今後自動 言十測データを利用して、コンピュータによる データ処理の学生実験課題として活用するこ ともできる。
0.05
N O
2濃度 (9 月 " ' J 2 月 〉
環境基準値
( 0 .04‑0. 0 6 )
0.04
ppm
0.02
‑・一道路
0.01
9 10 11 12 2
月
図7 N02漉度 1週間継続測定結果(文献1)
片品 開会 特渦 薄
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NOとN02濃度比 (1997年4月1日‑30日) 図10
『 教 育 学 部 紀 要 』 文 教 大 学 教 育 学 部 鵜2集 199鉾 小松原恵子・大橋ゆか子
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図11 NOとN02漉度 (1997年4月1日‑30日)
大 学H浮 実 験 カ リ キ ュ ラ ム で の 環 境 教 材 一 吸 児 法 に よ るN02濃 度 マ ッ プ 作 成 一
6 . おわりに
この実験に対する学生の反応は大きく、特 に車から直接採取した排ガスの濃度の大きさ に驚きを示していた。車の排ガスによる大気 汚染を実感し、車の利用の在り方を考えなく てはならないと述べている。また自宅付近の 測定もしてみたいという学生もおり、授業外 への働きかけにもなったと思う。マップやグ ラフを作成することで、N02汚染の特徴や樹木 の大気浄化作用に気付くことによって身近な 環境への興味や関心を喚起するようにしたこ
とが成功したといえる。
埼玉県環境生活部大気水質課から貴重なデ ータの提供を快くしていただきました。深謝 いたします。
文献
1 )天谷和夫:大気の汚れ合同出版 (100θ 2)木村友則:文教大学教育専攻科終了論文
(1998)
3)木地実夫他:環境改善の化学 大日本図書 (1~6) 4)大竹千代子他:地球の化学汚染
開成出版(1003) 5)黒田千秋他:地球環境問題に挑戦する
培風館(1997)
