硝化作用

Question

はじめて利用します。

質問なのですがアクアリウムにおいて生物濾過(硝化作用)が行われるとアンモニア→→亜硝酸→→硝酸となると色々なホームページ、本にも載っていますが詳しい化学式で教えていただきたく質問しました。注意:硝酸とはHNO3を指すと思いますがニトロバクター(亜硝酸を硝酸に変えるバクテリア)は亜硝酸からHNO3を作り出すのでしょうか??それともNO3－(イオンの形)にするのでしょうか??とれとも一度HNO3を作り出しておいてすぐに電離するのでしょうか??それともNO3－(イオンの形)にしておいてH＋(水素)とすぐに結びつくのでしょうか??詳しい方教えてください。

x530 · Accepted Answer

あらたまって、考えた事はありませんでしたが、
硝酸(HNO3)は水に溶けた物＝水溶液のことです。
元々は、濾過細菌たちは五酸化二窒素＝無水硝酸(N2O5)を生成していると思います。
濾過細菌の中では、五酸化二窒素が生成されたと同時に、即座に水に溶解していると。
五酸化二窒素(N2O5)は、とても良く水に溶ける、と言うよりも、自然界では水に溶けて水溶液の姿にならないと安定しない物質だと考えます。
N2O5+H2O=2(HNO3)
亜硝酸(HNO2)から五酸化二窒素を経て硝酸へ至る。
従いまして、結局、ニトロバクター属の成果物は「硝酸(HNO3)」になると。

あとは、水素の特徴？性質？により、(HNO3)から(H+)が、一定ルールの割合で水溶液中にプロトンとして彷徨う。
pH計はプロトンが、ボルタ電池の原理で起電させる事により数値として表わされるのと思います。

x530 · Answer

No.2です。
ビールを飲みながら友人から教えてもらいました。
「アクアニート」は「テトラ　イージーバランス」と同じ働きの製品じゃないかと。

テトラ　イージーバランスの主成分は炭酸ナトリウムか重炭酸ナトリウムだと海外のＨＰに紹介されていたとのこと。
ひょっとすると、「アクアニート」は炭酸ナトリウムか重炭酸ナトリウムを高温で焼いて固めたものかも知れませんね。

私が、ファラデーの法則を学んだのは、遥か昔、電気工学でしたよ。

イオンの考え方は、例えば塩を水に溶かしたら、塩とは異なる、言い換えれば塩ではない、性質の物質に変わる、ということらしいです。
でも、そんなの変ですよね。
塩を水に溶かしても、塩はやっぱり塩なのですよ。
イオンですべてを説明するのは、少し古い考えかも。。。
わたしの考え方は、量子力学なのですよ。
もともと、エントロピーでは説明がつかない事象がこの世にあるから量子力学は生まれたのですよ。
陽子・電子・中性子がすべてなのです。
量子力学では、塩を水に溶かしても、塩はやっぱり塩なのです。

ootsu · Answer

No.5です。
>硝酸(NO3－)と化合(結びつく)した場合は
>"硝酸塩"以外の言葉で最適なものは何と言うのでしょうか??
化合した場合は、硝酸塩です。
水中では、化合しておりませんので、イオンと呼ぶ以外には
ありません。
水中で、
NO3-の相手を探さないでください。常に相手がいるわけでは
ありません。もともとNH4+イオンから出発しているのですからね。
NO3-イオンは、よっぽど非現実的なほど濃度を濃くしない限り、水中で何か金属とくっついてしまうことはほとんどありません。
硝酸銀も硝酸銅も水の中では、
AgNO3+H2O　⇔　Ag+　+　NO3-　+　H+　+　OH-
この右側の状態がメインです。左側にはめったになりません。
エントロピーの法則に反しますからね。


----------------------------------
>ファラデーの電気分解の法則
----------------------------------
何の話をしているのでしょうか？金属の話ではないのですが
-------------------------------------------------------

コハク酸ナトリウムは、化学実験や、生化学実験において、緩衝液(バッファー　pHをある一定範囲になるようにする）の成分としてよく使用されます。観賞魚用品としてもナントカマイナスナントカプラスとか言って売ってますよね？あれがバッファーです。
しかし中身にコハク酸ナトリウムが入っているかどうかは私は知りません。

ただし、水槽内や自然界では、コハク酸を最終的に二酸化炭素に分解するバクテリアがいますので、そのうち消滅します。
水槽用の製品でも定期的に添加しないといけないのは、たぶんこのせいでしょうね。

x530 · Answer

No.2です。
硝酸イオン(だけではないのですが、、、)は、普段、フラフラ彷徨っていることになるのかな。。。ただし、考え方だけです。

硝酸イオンはさまざまな物質にくっつく事ができます。
で、何かにくっついた時の反応自体は、電気化学当量やイオン価数により左右されます。
一般的に金属類との反応が起こりやすく、非金属類はその次になります。
ファラデーの電気分解の法則
・第一の法則では、電気化学当量
・第二の法則では、イオン価数
硝酸イオンは銅にくっついて安定すれば、硝酸銅になり、銀にくっつけば硝酸銀になります。

アクアニートは、私のようなズボラな熱帯魚飼育者にはピッタリの製品なのですが、アクアニートって何なのでしょう・・・

恐らく、正体は酸素を出す石の仲間、「過酸化カルシウム」では無いかと想像していたのですが、、、

過酸化カルシウム＜ＣａＯ２＞ 
過酸化カルシウムは、水にほとんど溶けません。(０．０１ｇ／１００ｇ水)

　ＣａＯ２　＋　Ｈ２Ｏ　→　Ｃａ（ＯＨ）２　＋　１/２ Ｏ２↑

過酸化カルシウムの水への溶解速度はとても遅い反応です。
過酸化カルシウムが水に溶解すると、水酸化カルシウムと酸素が発生します。

水酸化カルシウム＜Ｃａ（ＯＨ）２＞
水酸化カルシウムは、消石灰の事です。
消石灰ですから、説明する必要も無く、水溶液はアルカリ性物質です。

　Ｃａ（ＯＨ）２　＋　ＣＯ２　→　ＣａＣＯ３　＋　Ｈ２Ｏ

水酸化カルシウムは二酸化炭素と反応し、炭酸水素カルシウムと水が精製される。
過酸化カルシウムは、ゆっくりと溶解し、水槽水のｐＨの酸化を中和します。
水酸化カルシウムは、二酸化炭素と反応し無毒の炭酸カルシウムになります。
発生した炭酸カルシウムは、アクアニートの水中ケースの中に閉じ込める仕組み化と思います。

と、仮説を立てたわけですが、アクアニートのＨＰを覗いたら、「硬度に影響しないナトリウムイオンを徐々に溶出することによってpHの低下を抑制します」と書かれていたので、「過酸化カルシウム」では無い事が分かりました。

そうすると、弱アルカリ性へのｐＨ調整機能があり、緩衝作用もあるものだとすると、「クエン酸ナトリウム」やNo.9の方同様「琥珀酸ナトリウム」辺りの様な気がします。
「クエン酸ナトリウム」ならば、潮解性があるため、内部のパッケージは完全密封のはずです。

ootsu · Answer

アクアニートについてですが、

>Na＋(ナトリウムイオン)を放出して硝酸と反応して無害な硝酸塩
>にするとあります
たしかに説明を見るとそうとれるところもあるかもしれませんが、
「Na+イオンを放出して、NO3-と中和して、中性に近づけます。」
があたりさわりのないところじゃないですかね。

あのー。水の中なので、硝酸塩という状態は有りえないんです。
あくまでもNO3-イオンと、Na+イオン、Mg2+イオン、Ca2+イオン
これらのイオンは、イオンの密度とイオンの大きさと水分子のクラスター集団との関連はありますがわりと自由に水中で移動しています（ソルベントバーグの溶媒和モデル）。

>アクアニート"は何ナトリウム
見た感じは、チオ硫酸ナトリウムの巨大結晶のようですが、
コハク酸２ナトリウムかもしれません。値段を考えるとそんなところ
じゃないでしょうか。

水中では、水不溶性の物質とする（たとえばBaSO4）以外は、イオンの状態ですから、まず、イオンありきで考えてください。
水に溶けていない状態での分子とか電子の電離とか、考えてもしょうがないですよ。

x530 · Answer

No.2です。
個々の反応は、連続的に行われます。
相対的に減少するわけで、枯渇するわけではありませんが、ご理解の通りで良いと思います。
また、一般には論理説明で単純にHを付けたり取ったりしながらNO2からNO3と言う風に、分かりやすさ優先で説明されていますが、実際は、必ず地球上に存在する物質を還して反応は起こっています。
例えば、水素は水素・重水素・３重水素・・・７重水素まで存在しますが、自然生物作用などでは、セイゼイ重水素程度しか使用することはありません。

結びつく順位は、一番初めのご質問の回答(ANo.2)の通りになります。
「極めて限られた、小さなエネルギーを有効に活用するのならば、nebosuke77様のご想像の通り、(イオンの形)にすると考えるのが正論に思います。
細菌の体内に、微量のナトリウムがあれば良いのです。」

順位は、一般論では、もっとも外周を回る電子の自由度、離脱のしやすさが大きく関わると思います。
電子は、原子核側より、Ｋ殻２・Ｌ殻８・Ｍ殻１８・Ｎ殻３２個が定員として回っています。
Ｋ殻よりもＮ殻の電子の方が「自由＝小さな力＝小さなエネルギー」で、くっついたり、離れたり出来ます。
これが、反応の大元である電離作用が、おこりやすい、おこりにくいに直接的に係わっています。
硝酸カルシウム、硝酸マグネシウムの分子量を調べた事はありませんが、ここの物質のＮ殻・Ｍ殻への電子の拘束度の低い物質、例えば、電子数が定員未満の物質の方が、優先的にNO3－(硝酸イオン)などに結びつきやすいと言えると思います。

ootsu · Answer

リンクがうまくいきませんでしたが、
基礎編の硝化細菌その２です。
http://www.geocities.jp/acaradisco55/Taikou/science19.html

参考URL：http://www.geocities.jp/acaradisco55/Taikou/science19.html

ootsu · Answer

反応式についてですが、
このディスカス飼育者のためのサイトに
割と正確な記述がありましたので、ごらんください。
http://www.geocities.jp/acaradisco55/Taikou/science.html

参考URL：http://www.geocities.jp/acaradisco55/Taikou/science.html

ootsu · Answer

こんにちは。
微生物の生物化学反応は、たいがいがその微生物の持つ酵素の作用によるものです。
ですので、生物化学の本、酵素化学の本、応用微生物学の本、（本と言うのは、学術書ですが）などを読むと反応機作について調べることができます。

酵素が反応するためには、溶媒が必要です。
水が溶媒となり、すべてイオンの形態で反応は進みます。
NO2-　→　NO3-

 ここに関係する酵素は、
　亜硝酸オキシリダクテース（米読みです）
　サイトクロムcオキシデース（米読みです。シトクロムｃオキシダーゼの方が一般的でしょうか）

この酵素タンパク質複合体の中に、NO2-が取り込まれて、酸化されて
NO3-として、水中に放出されます。

一般的に亜硝酸、硝酸と書いてあるのは、イオンを省略している
と言う場合や、水中で化学平衡状態にあるということを省略して
書いてある場合が多いです。
この本を見るとよくわかると思います。
http://ipcj.com/books/material_polymer/784.htm

参考URL：http://ipcj.com/books/material_polymer/784.htm

x530 · Answer

硝酸（HNO3）と硝酸イオン（NO3－）は、丁度、水中でのアンモニア（NH3）とアンモニアイオン（NH4+）の関係ににています。

魚類などの生体は、ガス交換と同時に鰓からアンモニアを排出しています。
鰓が、腎臓のような機能を果たしています。
排泄物や残り餌からも、もちろん、アンモニアが発生しますが、魚類などの生体は、ガス交換と同時に鰓から直にアンモニアを排出しています。

生体から排出されたアンモニアは、水中で即座にアンモニウムイオンに変わります。
アンモニウムイオンが飽和に近づくまでは、同比率で、アンモニアとアンモニウムイオンの形で水中に存在します。
水中でのアンモニアとアンモニウムイオンの比率の変動要素はｐＨと水温です。
アルカリまたは高水温では、アンモニュウムイオンは還元しアンモニア（NH3）の比率が高まります。

硝酸（HNO3・強酸性）と硝酸イオン（NO3－）も同様の関係があります。
硝酸イオンが飽和量に達するまでは、一定の比率で硝酸（極少）と硝酸イオン（多数）が水中に存在する事になります。
水中に残った硝酸は、底砂の金属成分や流木など、あらゆる物と反応し酸化させてゆきます。
このため、水槽を徐々に酸化させて行くので、長期維持した水槽のｐＨは酸性化しやすくなります。

脱窒のプロセスは、
脱窒菌は、大多数を占める硝酸イオン（NO3－）とエタノールが水中で揃うと、活性化し、窒素と二酸化炭素と水に分解することが出来ます。
NO3- + 1.08CH3OH + H+ → 0.065C5H7NO2（脱窒菌） + 0.47N2↑ + 0.76CO2 + 2.44H2O
エタノールは、枯れた水草などの糖質により酵母菌が活性化することにより生産されます。
以前、水槽水の中に砂糖を投入する事が流行したのは以上の仕組みからでした。

硝化作用

あらたまって、考えた事はありませんでしたが、

No.2です。

No.5です。

No.2です。

アクアニートについてですが、

No.2です。

リンクがうまくいきませんでしたが、

反応式についてですが、

こんにちは。

硝酸（HNO3）と硝酸イオン（NO3－）は、丁度、水中でのアンモニア（NH3）とアンモニアイオン（NH4+）の関係ににています。

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