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DETERMINATION DE L'OXYGENE DISSOUS

PAR LA METHODE DE WINKLER

Version : 1.3

Protocole SOMLIT OXYGENE 1.3

Date de création : 7 janvier 2009

Date de dernière modification : 7 Janvier 2009

Rédigé par : Louise Oriol, Ornella Passafiume

Visé par : Responsable qualité local : Laure Mousseau - Responsable qualité national : Nicolas Savoye

I - Introduction

La concentration en oxygène dissous est un paramètre utilisé pour mesurer la qualité du milieu marin. Sa concentration est liée aux paramètres physico-chimiques et à l'activité biologique et il est très important pour la vie dans le milieu aquatique. Les teneurs en oxygène dissous dans l'eau de mer sont influencées par des facteurs physiques (température, salinité), mécaniques (vent, brassage) et biologiques (photosynthèse, respiration, dégradation des matières organiques). Les concentrations en oxygène dissous sont exprimées en micromoles par litre.

La méthode utilisée pour mesurer l'oxygène dissous est celle proposée par Winkler (1888). Elle exploite la capacité d'un sel de manganèse à réagir en milieu fortement basique avec l'oxygène dissous de l'échantillon. En abaissant le pH de cette réaction, les ions iodure préalablement ajoutés dans le réactif, vont produire de l'iode. Ce dernier composé est dosé par une solution étalonnée de thiosulfate.

La précision souhaitée est de 0.5%.

D'après Strickland et Parsons (1972), le domaine d'application varie de 0.005 à 8 mmoles d'O par litre.

Principe du dosage

L'analyse des échantillons est effectuée par titrimétrie avec détection du point d'équivalence soit par une méthode visuelle (indicateur coloré : amidon) soit par une méthode potentiométrique avec utilisation d' un titreur Métrohm. On analyse les échantillons par titrimétrie avec détection du point d'équivalence.

Réaction chimique

On ajoute à l'eau de mer une solution de manganèse II que l'on précipite par une base forte :

Mn 2+ + 2 OH - à Mn(OH) 2

Une réaction en milieu hétérogène entre le précipité ainsi formé et l'oxygène dissous fait passer le métal à des degrés d'oxydation supérieurs (III et IV) :

2 Mn (OH) 2 + ½ O 2 + H 2 O à 2 Mn (OH) 3

et : Mn (OH) 2 + ½ O 2 à Mn O (OH) 2

Lorsque la réaction est terminée le milieu est acidifié (redissolution du précipité) ; la solution contenant des ions iodure (ayant été introduits avec la base forte), il y a formation d'iode avec retour du manganèse au degré d'oxydation II :

2 Mn (OH) 3 + 2 I - + 6 H + à 2 Mn 2+ + 6 H 2 + I 2

et : Mn O (OH) 2 + 2 I - + 4 H + à Mn 2+ + 3 H 2 O+ I 2

L'iode libéré est dosé par le thiosulfate :

2 S 2 O 3 2- + I 2 à S 4 O 6 2- + 2 I -

Il faut deux moles de thiosulfate pour doser une mole d'iode elle-même libérée par ½ mole d'oxygène. Donc 4 moles de thiosulfate pour une mole d'oxygène.

II - Précautions particulières

Concernant l'échantillonnage, les principales précautions sont d'une part d'éviter tout contact entre l'échantillon et l'atmosphère (échange d'oxygène entre l'échantillon et l'atmosphère) et d'autre part d'éviter de biaiser les volumes mis en jeu.

L'échantillonnage pour l'analyse de l'oxygène dissous doit impérativement être effectué dès la remontée de la bouteille Niskin, et avant tout autre prélèvement. La difficulté repose sur le remplissage du flacon de prélèvement, au cours duquel des bulles d'air risquent de rester emprisonnées s'il est effectué un remplissage trop turbulent, ce qui aura pour conséquence de fausser les résultats (le flux d'échange est proportionnel à la turbulence et à la différence de concentration entre l'atmosphère et le milieu à doser).

Les variations thermiques lors du stockage doivent être minimisées.

Les principales sources d'erreur inhérentes au dosage lui-même concernent :

•  La volatilisation de l'iode, d'autant plus importante que le milieu est acide et/ou qu'il est appliqué une trop grande turbulence

•  L'adjonction d'oxygène avec les réactifs

•  La consommation ou production d'iode par les impuretés des réactifs

•  L'oxydation de l'iodure à l'air

Toutes les manipulations impliquant de l'acide doivent être faites sous hotte avec port de blouse, de gants et de lunettes de protection

III - Matériel et appareillage utilisé

Flacons en verre borosilicate de 180ml environ à bouchon plongeant et collerette

Deux distributeurs de réactifs ou distributeurs à seringue

Tuyau souple en silicone de diamètre intérieur inférieur à 4mm muni d'un embout adaptable facilement aux robinets des Niskins®

Barreaux aimantés

Micropipettes avec pointes adaptées

Un distributeur pour l'acide

Burette de 10 ou 20ml

Titreur Metrohm (DMS 716, 702 SM, Titrino Plus 848 par exemple) ou Radiometer, muni d'une électrode de platine

Balance permettant de peser les flacons pleins d'eau (soit 500g environ)

Gants non talqués

IV - Produits chimiques et réactifs utilisés

MnCl 2 .4H 2 O, (Merck pour analyses, Panreac Acs pour analyses)

NaI, (Merck pour analyses, Panreac Acs pour analyses)

NaOH, (Merck pour analyses, Panreac Acs pour analyses)

H 2 SO 4 (Carlo Erba, 96%, ou Merck pour analyses, Panreac Acs pour analyses)

Amidon soluble, (Merck pour analyses, Panreac Acs pour analyses)

Na 2 S 2 O 3 .5H 2 O, (Merck pour analyses, Panreac Acs pour analyses)

KIO 3 (Fluka, standard certifié pour la titrimétrie, ou Merck pour analyses, Panreac Acs pour analyses)

V - Préparation du matériel

Calibrage des flacons (à 0.05g près) à refaire 1 fois /an

Laver les flacons à l'HCl 1.2N, les rincer abondamment à l'eau déionisée, puis les sécher à l'étuve (c'est la seule et unique fois que le flacon doit voir une étuve), pendant plus de 24h.

Les laisser revenir à température ambiante avant de les boucher.

Vérifier que la balance est calibrée, et sous tension depuis au moins une heure.

Peser 3 fois les flacons vides après les avoir bien essuyé avec un chiffon antistatique, (porter des gants non talqués). Faire la moyenne des trois pesées (P 1 ).

Les remplir d'eau déionisée, équilibrée à la même température que les flacons et la balance.

Bloquer le bouchon.

Essuyer le flacon avec un chiffon propre et particulièrement au niveau du col.

Rincer les flacons avec une pissette d'alcool.

Essuyer les flacons avec un chiffon antistatique.

Peser, et recommencer l'opération de remplissage et de pesée 2 fois. Calculer la moyenne des trois pesées (P 2 ).

Noter la température de l'eau dans le flacon après chaque pesée. Calculer la moyenne des trois températures.

Calculer le volume d'après la relation : V(ml) = [P 2 (g)-P 1 (g)] / r t (g/cm 3 )

r t est la masse volumique de l'eau distillée à la température t (°C), calculée suivant la formule :

r t (g/cm 3 ) = 1.0003-(0.000005*t 2 ) + (0.000001*t)

VI - Préparation des réactifs

Réactif 1  (R 1 ) : Solution de MnCl 2

Dissoudre 600 g de MnCl 2 .4H 2 O dans 600 ml d'eau distillée. Ajuster à 1 litre.

Stocker dans une bouteille en verre ou en plastique

Dose à utiliser : 6,0ml par litre d'échantillon

Cette solution se conserve indéfiniment à température ambiante.

Réactif 2  (R 2 ) : Solution basique d'iodure de Na

Dissoudre 600 g de NaI dans environ 300ml d'eau Milli-Q

Dissoudre en chauffant 320 g de NaOH dans 400 ml d'eau Milli-Q.

Mélanger ces 2 solutions en versant rapidement la solution de NaOH dans la solution de NaI et ajuster à 1 litre. Etant donné la forte concentration de ces réactifs, ils ne deviennent en général clairs, qu'après cette opération.

Dose à utiliser : 6,0ml par litre d'échantillon

Cette solution se conserve en principe indéfiniment à température ambiante, mais la renouveler dès qu'elle prend une teinte brunâtre.

Réactif 3  (R 3 ) : Solution d'H 2 SO 4 10N (28%)

Ajouter lentement 280 ml d'H 2 SO 4 concentrée à 700 ml d'eau distillée.

Refroidir et ajuster à 1 litre (Utiliser une fiole grade B suffit)

Transférer dans un flacon bien hermétique.

Dose à utiliser par échantillon : 6.0ml par litre

Cette solution se conserve indéfiniment à température ambiante.

Indicateur coloré  : Solution d'amidon à 1%

Dissoudre 1 g d'amidon soluble dans 100ml d'eau Milli-Q en chauffant jusqu'à ce que la solution devienne claire. Préparer cette solution avant chaque série d'analyse ou ajouter 2 à 3 gouttes de chloroforme et conserver au réfrigérateur.

Jeter la solution si un trouble se développe.

Solution de thiosulfate 0,01 N : Dissoudre 2,48 g de Na 2 S 2 O 3 .5H 2 O dans de l'eau distillée et ajuster à 1 litre. Conserver à température ambiante. Cette solution est instable, il est préférable de la préparer tous les 15 jours, même si elle est titrée avant chaque utilisation par la solution d'iodate de potassium.

Solution étalon d'iodate de potassium, 0,01 N : Sécher à 105°C pendant 1 heure du KIO 3 de pureté analytique (99,9% pur). Laisser refroidir au dessicateur et en peser exactement 0,3567 g en milieu anhydre. Dissoudre dans de l'eau déionisée et ajuster à 1 litre. Attention : la dissolution ne s'effectue que lentement. Cette solution est stable indéfiniment à condition de la conserver à l'abri de la lumière et d'éviter toute évaporation et variation thermique, mais il est préférable de la renouveler une fois par an.

VII - Prélèvement et conditionnement

L'échantillon pour l'oxygène dissous est le premier prélèvement à effectuer lorsque la bouteille Niskin arrive sur le pont, immédiatement après sa remontée.

* Dévisser l'évent d'arrivée d'air qui se trouve dans la partie supérieure de la Niskin

* Adapter au robinet de la Niskin le tuyau en silicone (à laisser dans de l'eau propre entre 2 utilisations)

* Laisser ouvert le robinet de la Niskin durant tout l'échantillonnage (rinçages et remplissage).

* Purger le tuyau souple afin qu'il n'y reste aucune bulle

* Réguler le flux d'eau par pincement du tuyau avec les doigts. Les pinces sont à proscrire . Le réglage du débit doit être évolutif avec les différentes phases de remplissage, très très doux au début jusqu'à ce que le tuyau soit immergé, puis un peu plus rapide sans turbulence, puis très doux lors de la sortie du tuyau.

* Rincer au moins 2 fois le flacon de prélèvement avec le bouchon.

* Remplir le flacon en maintenant le tuyau au fond de la bouteille sans provoquer de turbulence.

* Laisser déborder 2 fois le volume du flacon.

* Retirer le tuyau lentement sans arrêter l'écoulement de l'eau du flacon. Le flacon doit être rempli à ras bord.

* Ajouter immédiatement les réactifs 1 puis 2 ( 6ml de réactif par litre d'échantillon ) en plaçant l'embout du distributeur de réactif sous la surface de l'échantillon afin de ne pas introduire de bulle d'air.

* Boucher la bouteille sans emprisonner d'air puis mélanger par plusieurs retournements.

* Agiter une seconde fois les flacons, environ 15 mn plus tard ou dès le retour au laboratoire.

VIII - Conservation et stockage

* Conserver les flacons à l'obscurité en évitant le dessèchement du rodage, en remplissant la collerette d'eau.

* Eviter les variations de température en les maintenant dans l'eau (tampon thermique).

* Analyser les échantillons au moins 6h et au plus tard 1 mois après le prélèvement (dans ce dernier cas, l'immersion des flacons dans l'eau évite le dessèchement du rodage par évaporation de l'eau de la collerette).

Les échantillons sont conservés dans une caisse opaque dans le laboratoire, près de l'oxymètre et sont analysés le lendemain.

[A compléter par les stations : Préciser le lieu de stockage ]

IX - Préparation des échantillons

Quand les réactifs ont été ajoutés et que l'oxygène a complètement réagit (précipité dans les 2/3 inférieurs du flacon) attendre au moins 6h (12h environ) avant de commencer l'analyse

Purger l'embout du flacon d'H2SO4

Sécher le col du flacon d'échantillonnage et surtout la collerette

Ouvrir délicatement le bouchon

Ajouter alors juste sous la surface de l'échantillon le réactif 3 (6,0ml par litre d'échantillon)

Reboucher immédiatement en évitant d'emprisonner de l'air et agiter jusqu'à dissolution complète du précipité

Placer à l'abri de la lumière. Le dosage doit se faire au plus tard 1 heure après l'acidification et très rapidement après ouverture du flacon (risque d'évaporation d'iode)

X - Détermination du titre de la solution de thiosulfate

Remplir d'eau Milli-Q, 3 flacons de prélèvement

Ajouter 1 dose d'acide sulfurique + 1 dose de R2 + 1 dose de R1 (boucher et agiter parfaitement entre chaque addition) dans chaque flacon.

Rajouter dans chaque flacon 10 ml d'iodate de potassium. La solution vire au jaune.

Insérer le barreau aimanté délicatement (e.g. au moyen d'une pince) , sans faire de projection sur les parois du flacon

Mettre l'agitateur magnétique à faible vitesse de manière à éviter les projections de goutte sur les parois. Eviter de créer un vortex trop virulent qui entraînerait des bulles vers le fond du flacon.

Surligné en gris, on peut l'effacer ?

Pas la méthode utilisée à Villefranche:

Détection visuelle (indicateur coloré)

Titrer avec le thiosulfate jusqu'à décoloration.

Ajouter 1 ml d'amidon, et terminer le titrage goutte à goutte jusqu'à décoloration complète persistant 20 secondes. Procéder rapidement mais en attendant l'homogénéisation de la solution après chaque ajout. Poser le flacon sur un fond blanc de manière à pouvoir suivre les volutes et la décoloration.

Soit Vs , la moyenne des trois volumes de thiosulfate utilisés pour la standardisation.

Méthode utilisée à Villefranche :

Détection potentiométrique (conseillée)

Immerger l'électrode et le distributeur de titrant

Mettre en route l'agitation, qui doit rester douce

L'électrode ne doit pas toucher le col de la bouteille

Attendre que l'iode soit mélangé de manière homogène avant la distribution du thiosulfate.

Ajuster :

Le volume initial de thiosulfate : 60 à 70% du volume attendu

Le volume dispensé à chaque injection : 20µl

La vitesse d'addition du thiosulfate : 0.1ml/mn

La pause entre 2 additions : 2s

Le logiciel calcule et affiche à la fin du titrage le point équivalent.

Soit Vs , la moyenne des trois volumes de thiosulfate utilisés pour la standardisation

XI - Mesure

Après acidification (cf IX) et dissolution du précipité, insérer le barreau aimanté au moyen d'une pince , sans faire de projection sur les parois du flacon

Mettre sur l'agitateur magnétique à faible vitesse de manière à éviter les projections de goutte sur les parois. Eviter de créer un vortex trop virulent qui entraînerait des bulles vers le fond du flacon.

Détection visuelle (indicateur coloré)

Titrer avec le thiosulfate jusqu'à décoloration.

Ajouter 1 ml d'amidon, et terminer le titrage goutte à goutte jusqu'à décoloration complète persistant 20 secondes. Procéder rapidement mais en attendant l'homogénéisation de la solution après chaque ajout. Poser le flacon sur un fond blanc de manière à pouvoir suivre les volutes et la décoloration.

Soit Vs , la moyenne des trois volumes de thiosulfate utilisés pour la standardisation.

Détection potentiométrique

Immerger l'électrode et le distributeur de titrant

Mettre en route l'agitation, qui doit rester douce

L'électrode ne doit pas toucher le col de la bouteille

Rincer le col de la bouteille et le bouchon plongeant avec 1-2 ml d'eau distillée (facultatif)

Ajuster :

Le volume initial de thiosulfate : 60 à 70% du volume attendu

Le volume dispensé à chaque injection : 20µl

La vitesse d'addition du thiosulfate : 0.1ml/mn

La pause entre 2 additions : 2s

Le logiciel calcule et affiche à la fin du titrage le point équivalent.

Soit Ve , le volume de thiosulfate consommé par l'échantillon

On ne fait pas la détermination du blanc chimique :

Détermination du blanc chimique

A déterminer régulièrement, et en tout cas à chaque nouvelle préparation de réactifs.

Remplir d'eau Milli-Q, un flacon de prélèvement

Ajouter 1 dose d'acide sulfurique + 1 dose de R 2 + 1 dose de R 1 (boucher et agiter parfaitement entre chaque addition).

Ajouter 1ml de solution de KIO 3 0,01N

Titrer immédiatement par le thiosulfate en s'arrêtant exactement au point d'équivalence.

Soit V 1 ce volume.

Ajouter à nouveau 1 ml de KIO 3 0,01N, et titrer. Soit V 2 ce volume.

La différence (b = V 1 - V 2 ) donne la valeur du blanc chimique

Si le blanc est positif, les réactifs contiennent de l'iode

Si le blanc est négatif, des impuretés contenues dans les réactifs piègent l'iode contenu dans le KIO 3 ajouté

XII - Calculs

Tous les volumes étant exprimés en millilitres, on pose :

Vf : volume du flacon d'échantillonnage

V : volume de réactifs introduits (R 1 + R 2 )

Vt : volume sur lequel est fait le titrage (peut être égal à Vf)

Ve : volume de thiosulfate consommé par l'échantillon

Nt : titre du thiosulfate

Vs : volume de thiosulfate consommé pour sa standardisation

Ni : titre de l'iodate utilisé pour la standardisation

Vi : volume d'iodate utilisé pour la standardisation

b : blanc chimique

Titre du thiosulfate :

Nt = Ni Vi

(Vs-b)

Nt x (Ve-b) 1000 Vf

[O 2 ] µmoles/litre = ---------- x 22.392 -------- x -------- x 44,66

4 Vt Vf-V

XIII- Entretien du matériel

Après la mesure, rincer les flacons à l'eau courante puis à l'eau déionisée. Sécher à température ambiante. Si des traces jaunes persistent même après lavage, utiliser une solution d'H 2 SO 4 à 20% pour le nettoyage des flacons.

XIV - Conservation et entretien de l'appareillage

Le thiosulfate doit être conservé à l'abri de lumière.

Rincer l'électrode après chaque mesure avec de l'eau déionisée.

Conserver l'électrode dans une solution de KCl [3M].

Entre les séries de mesures, protéger l'appareil de mesure afin d'éviter les contaminations par la poussière.

XV - Evacuation des essais et déchets

Après dosage, les échantillons doivent être vidés dans des bidons à déchets.

XVI - Bibliographie

Aminot A., Kérouel R., 2004. Hydrologie des écosystèmes marins. Paramètres et analyses. Ed. Ifremer, 336p.

Carpenter, J.H. 1965. The accuracy of the Winkler method for dissolved oxygen analysis. Limnology Oceanography, 10, 135-140.

Carpenter, J.H. 1965. The Chesapeake Bay Institute technique for the Winkler dissolved oxygen method. Limnology Oceanography, 10, 141-143.

Carritt, D.E. & J.H. Carpenter. 1966. Comparison and evaluation of currently employed modifications of the Winkler method for determining dissolved oxygen in sea-water; a NASCO report. J. Mar. Res. 24, 286-318.

Copin-Montégut, G. 1996. Chimie de l'eau de mer, Institut océanographique, Paris, 319p.

Culberson, C.H. 1991. WHP Operations and Methods, Dissolved Oxygen. WHP Office Report WHPO 91-1. WOCE Report No. 68/91. Woods Hole, Mass., USA.

Dickson, 1996. Determination of dissolved oxygen in sea water by Winkler titration. WHP

Murray, C.N., Riley J.P. & T.R.S. Wilson. 1968. The solubility of oxygen in Winkler reagents used for the determination of dissolved oxygen. Deep-Sea Res. 15, 237-238.

Annexes

Fiche sécurité des produits chimiques