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| 名前 | |
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| 体系的なIUPAC名
硝酸塩 | |
| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| チェビ |
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| ケムスパイダー |
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パブケム CID
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| いいえ− 3 | |
| モル質量 | 62.004 グラムモル−1 |
| 共役酸 | 硝酸 |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
インフォボックス参照
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硝酸塩は化学式NOの多原子イオンである。 −
3このイオンを含む塩は硝酸塩と呼ばれます。硝酸塩は肥料や爆薬の一般的な成分です。[1]ほとんどすべての無機硝酸塩は水に溶けます。不溶性の硝酸塩の例としては、オキシ硝酸ビスマスがあります。
化学構造
硝酸アニオンは硝酸の共役塩基で、中心の窒素原子1 個と、その周囲を 3 つの同一結合酸素原子が三方平面状に配列した構造である。硝酸イオンの形式電荷は-1 である。[要出典]この電荷は、3 つの酸素がそれぞれ - 2 ⁄ 3 の電荷を持ち、[要出典]一方窒素は +1 の電荷を持ち、これらすべてを足し合わせて多原子硝酸イオンの形式電荷となる組み合わせ形式電荷から生じる。[要出典]この配列は共鳴の例としてよく使われる。等電子炭酸イオンと同様に、硝酸イオンは 3 つの共鳴構造で表すことができる。
化学的および生化学的性質
NOでは−3窒素アニオンの場合、中心の窒素原子の酸化状態は V (+5) です。これは、窒素の最高の酸化数に相当します。硝酸塩は、一次爆薬の衝撃波によって点火された硝酸アンモニウム( NH 4 NO 3 ) または黒色火薬の中で爆発すると高温で爆発することが証明されているように、潜在的に強力な酸化剤です。しかし、赤く発煙する硝酸( HNO 3 /N 2 O 4 ) または濃硝酸( HNO 3 )とは対照的に、中性または高pHの水溶液に溶解した硝酸塩は弱い酸化剤でしかなく、微生物が存在しない滅菌または無菌条件下では安定しています。その酸化力を高めるには、硝酸塩が硝酸に変化する酸性条件と高濃度が必要です。この挙動は、電気化学における酸化還元（レドックス）の一般理論と一致している。酸性条件下では酸化力が悪化し、塩基性条件下では還元剤の力が強化される。これは、ネルンストの式と対応する酸化還元反応を使用して作成されたプールベ図（E h –pH図）によって説明できる。酸化剤の還元中、酸化状態は低下し、反応によって水中に放出された過剰の酸化物イオン（O 2− ）は酸性条件下ではより容易にプロトン化され（ O 2− + 2 H + → H 2 O ）、ルシャトリエの原理に従って還元反応は右方向に駆動される。還元剤の酸化では逆のことが起こり、酸化状態が増加するにつれて、中心原子が負う余剰の正電荷を中和するために酸化物アニオンが必要になる。塩基性条件は酸化物アニオンの生成に有利であるため（2 OH − → O 2− + H 2 O）、これにより酸化反応の 化学平衡は右方向に駆動される。
一方、硝酸塩は脱窒細菌の強力な末端電子受容体として使用され、細菌が成長するために必要なエネルギーを供給します。嫌気条件下では、硝酸塩は原核微生物（細菌と古細菌）が呼吸するために使用する最も強力な電子受容体です。酸化還元対NO −3/ N 2 は嫌気呼吸の酸化還元スケールの頂点に位置し、酸素（O 2 / H 2 O）対のすぐ下ですが、Mn(IV)/Mn(II)、Fe(III)/Fe(II)、SOの対よりは上です。2−4/ HS −、CO 2 / CH 4。自然水は微生物によって必然的に汚染されており、硝酸塩は脱窒細菌によって代謝されるため、非常に不安定で不安定な溶解化学種です。硝酸塩/亜硝酸塩分析用の水サンプルは、冷蔵室で 4 °C に保管し、硝酸塩の損失を抑えるためにできるだけ早く分析する必要があります。
脱窒プロセスの第一段階では、溶解した硝酸塩（NO−3）は触媒的に 亜硝酸塩（NO−2) は、細菌の酵素活性によって還元されます。水溶液中では、溶解した亜硝酸塩 N(III) は、硝酸塩 N(V) よりも強力な酸化剤です。これは、亜硝酸塩 N(III) が受け取る電子が少なく、還元が硝酸塩よりも 運動学的に妨げられにくいためです。
生物学的脱窒プロセスでは、亜硝酸塩のさらなる還元によって、別の強力な酸化剤である一酸化窒素（NO）も生成されます。NOはミオグロビンに付着して赤色を強調します。NOは重要な生物学的シグナル分子であり、血管拡張プロセスに介入しますが、生物組織内でフリーラジカルを生成し、組織の分解と老化プロセスを加速させることもあります。NOによって生成される活性酸素種（ROS）は、血管機能障害や動脈硬化に関連する状態である酸化ストレスに寄与します。[2]
化学分析における検出
硝酸アニオンは、一般的にはイオンクロマトグラフィー(IC)によって水中で、溶液中に存在する他のアニオンとともに分析されます。IC の主な利点は、その容易さと、水性サンプル中に存在するすべてのアニオンを同時に分析できることです。硝酸塩を特異的に検出する他の方法は、亜硝酸塩への変換に続いて亜硝酸塩特異的なテストに依存しています。硝酸塩から亜硝酸塩への還元は、銅-カドミウム物質によって行われます。サンプルはフローインジェクション分析装置に導入され、結果として生じる亜硝酸塩を含む流出物は、比色分析または電気化学的検出のための試薬と混合されます。これらのアッセイで最も一般的なのはグリース テストで、これにより亜硝酸塩は、UV-vis 分光分析に適した濃い色のアゾ染料に変換されます。この方法は、亜硝酸塩の酸性化から生じる亜硝酸の反応性を利用します。亜硝酸は芳香族アミンと選択的に反応してジアゾニウム塩を生成し、これが次に 2 番目の試薬と結合してアゾ染料を生成します。検出限界は0.02～2μMである。[3]このような方法は生物学的サンプルに非常に適応している。[4]
発生と生成
硝酸塩は地球上の乾燥した環境で天然に大量の堆積物として存在し、特に硝酸ナトリウムの主源である硝酸ニトラチンが多く存在しています。
硝酸塩は、自然環境において、窒素源および自由エネルギー源としてアンモニアまたは尿素を使用して、多数の硝化細菌種によって生成されます。火薬用の硝酸塩化合物は、歴史的には、鉱物硝酸塩源が存在しない状況で、尿や糞便を使用したさまざまな発酵プロセスによって生成されていました。
地球の窒素と酸素が豊富な大気中での落雷により窒素酸化物の混合物が生成され、亜窒素イオンと硝酸イオンが形成され、雨や潜在的沈着によって大気から洗い流されます。
硝酸塩は硝酸から工業的に生産される。[1]
用途
農業
硝酸塩は、多くの植物にとって窒素の主要形態として機能する化合物です。この必須栄養素は、植物がタンパク質、核酸、その他の重要な有機分子を合成するために使用されます。 [5]大気中の窒素から硝酸塩への変換は、窒素循環における特定の細菌と雷によって促進され、比較的不活性な分子を生物学的生産性に不可欠な形態に変換する自然の能力の例です。[6]
硝酸塩は溶解度と生分解性が高いため、農業では肥料として使用されています。主な硝酸塩肥料はアンモニウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムの塩です。この目的で毎年数十億キログラムが生産されています。[1]硝酸塩の重要性は栄養素としての役割を超えており、植物のシグナル分子として働き、根の成長、開花、葉の発達などのプロセスを制御します。[7]
硝酸塩は土壌の肥沃度と作物の収穫量を高めるため農業に有益であるが、過剰に使用すると栄養分の流出、水質汚染、水中のデッドゾーンの拡大につながる可能性がある。[8]そのため、生産性と環境管理のバランスをとる持続可能な農業慣行が必要である。硝酸塩は植物の成長と発達を支え、生物多様性と生態系のバランスに貢献するため、生態系における硝酸塩の重要性は明らかである。[9]
銃器
硝酸塩は酸化剤として使用され、最も顕著なのは爆発物においてであり、炭素化合物の急速な酸化により大量のガスが放出されます（例として 火薬を参照）。
産業
硝酸ナトリウムは溶融ガラスや一部のセラミックから気泡を取り除くのに使われます。溶融塩の混合物は一部の金属の表面を硬化させるのに使われます。[1]
写真フィルム
硝酸塩はニトロセルロースを通じてフィルム原料としても使用されていました。その高い可燃性のため、映画製作スタジオは1950 年に セルロースアセテート安全フィルムに切り替えました。
医薬品および製薬用途
医療分野では、グリセリルトリニトレート、イソソルビドジニトレート、イソソルビドモノニトレートなどの硝酸塩由来の有機エステルが、急性冠症候群、心筋梗塞、急性肺水腫の予防と治療に使用されています。[10]亜硝酸アミルも属するこのクラスの薬物は、ニトロ血管拡張薬として知られています。
毒性と安全性
硝酸塩の毒性に関する懸念事項は次の 2 つです。
- 硝酸塩還元細菌の微生物活動によって還元された硝酸塩は、水中および下部消化管内の亜硝酸塩の前駆物質です。亜硝酸塩は発がん性ニトロソアミンの前駆物質であり、
- 亜硝酸塩の形成を介して、硝酸塩はメトヘモグロビン血症、特に乳児や幼児に影響を及ぼす赤血球中のヘモグロビンの障害に関与している。 [11] [12]
メトヘモグロビン血症
乳児のメトヘモグロビン血症の最も一般的な原因の 1 つは、井戸水や食物を介した硝酸塩や亜硝酸塩の摂取です。
実際、硝酸塩（NO−3）は、飲料水中に高濃度で存在することが多いが、亜硝酸塩（NO−2) がメトヘモグロビン血症の真の原因です。硝酸塩の微生物還元(飲料水で直接、または乳児が摂取した後に消化器系で) によって生成される亜硝酸塩は、硝酸塩よりも強力な酸化剤であり、ヘモグロビンのテトラピロールヘムでFe 2+をFe 3+に酸化する実際の原因である化学物質です。実際、硝酸アニオンは水溶液中では酸化剤が弱すぎるため、速度論的制限により、直接、または少なくとも十分な速さで Fe 2+ をFe 3+に酸化することはできません。
4ヶ月未満の乳児は、体重あたりの水分摂取量が多く、NADH-シトクロムb5還元酵素の活性が低く、胎児ヘモグロビンのレベルが高く、メトヘモグロビンに変換されやすいため、リスクが高くなります。さらに、乳児は、細菌による亜硝酸塩の生成により、胃腸炎の発症後にリスクが高まります。[13]
しかし、硝酸塩以外の原因も乳児や妊婦に影響を与える可能性があります。[ 14] [15]実際、青色児症候群は、チアノーゼ性心疾患（先天性心疾患により血液中の酸素レベルが低下する）[16]や、下痢性感染症、タンパク質不耐症、重金属中毒などの胃の不調など、他の多くの要因によっても引き起こされる可能性があります。 [17]
飲料水基準
米国環境保護庁は、安全飲料水法を通じて、飲料水中の硝酸塩の最大汚染レベルを10mg/Lまたは10ppmに設定しました。[18]
硝酸イオンの許容一日摂取量（ADI）は、FAO/WHO合同食品添加物専門家委員会（JEFCA）によって0～3.7 mg（体重kg） −1日−1の範囲に設定されました。 [19]
水生毒性
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陸地に近い淡水や河口域では、硝酸塩は魚類にとって致死的な濃度に達することがあります。硝酸塩はアンモニアよりも毒性が低いですが、 [20]硝酸塩濃度が30 ppmを超えると、成長を阻害し、免疫系を損ない、一部の水生生物にストレスを与える可能性があります。[21]硝酸塩の毒性は依然として議論の対象となっています。[22]
水系における過剰な硝酸塩濃度のほとんどの場合、主な発生源は廃水排出と、過剰な硝酸塩肥料を与えられた農業地域または造園地域からの表面流出です。その結果生じる富栄養化と藻類の大量発生により、無酸素状態とデッドゾーンが発生します。その結果、硝酸塩は総溶解固形物を構成する成分であるため、水質の指標として広く使用されています。
硝酸塩の沈着による生態系への人間の影響
生態系への硝酸塩の沈着は、農業における窒素を多く含む肥料の広範な使用や化石燃料の燃焼による排出など、人為的活動により著しく増加している。[23]世界中で毎年約1億9500万トンの合成窒素肥料が使用されており、この量の大部分を硝酸塩が占めている。[24]米国、中国、インドの一部など、集約農業が行われている地域では、窒素肥料の使用量は1ヘクタールあたり200キログラムを超えることもある。[24]
硝酸塩沈着量の増加の影響は植物群落を超えて土壌微生物群集にまで及ぶ。[25]土壌化学と栄養動態の変化は窒素固定、硝化、脱窒の自然プロセスを混乱させ、微生物群集の構造と機能の変化につながる可能性がある。この混乱は栄養循環と生態系全体の健全性にさらに影響を及ぼす可能性がある。[26]
食事中の硝酸塩
人間の食事における硝酸塩の供給源は、ほうれん草やルッコラなどの緑の葉物食品の摂取から生じます。−
3ビートジュースにも硝酸塩が含まれている可能性がある。飲料水も硝酸塩の主な摂取源である。[27]
硝酸塩を摂取すると、血漿中の硝酸塩濃度が2～3倍に急激に上昇し、この上昇した硝酸塩濃度は2週間以上維持されることがあります。血漿中の硝酸塩濃度が上昇すると、一酸化窒素（NO）の生成が促進されます。一酸化窒素は、筋肉の血流やミトコンドリア呼吸の調節などに関与する生理学的シグナル分子です。 [28]
塩漬け肉
亜硝酸塩（NO−2）の消費量は、主に加工肉の摂取量と硝酸塩（NO−3）がこれらの肉類（ベーコン、ソーセージなど）の塩漬けに添加される。亜硝酸塩は肉の塩漬けに主に使用される窒素種であるが、硝酸塩も使用され、唾液中で溶解し口内の微生物と接触することで微生物によって亜硝酸塩に変換される。亜硝酸塩は発がん性 ニトロソアミンの形成につながる。[29]ニトロソアミンの生成は、塩漬け中に抗酸化 ビタミンCとビタミンEのα-トコフェロール形態を使用することで抑制できる可能性がある。[30]
多くの食肉加工業者は、自社の肉（ベーコンなど）は「塩漬けされていない」と主張しているが、これは事実に基づかないマーケティング上の主張である。「塩漬けされていない」ベーコンなど存在しない（それは本質的には生の豚バラ肉のスライスだからである）。[31] [より良い情報源が必要]「塩漬けされていない」肉は実際には亜硝酸塩で塩漬けされており、工程にはほとんど違いはない。唯一の違いは、USDA の表示要件が植物由来の亜硝酸塩（セロリなど）と「合成」亜硝酸ナトリウムであることである。類似点は、精製された「海塩」と塩化ナトリウムで、どちらもまったく同じ化学物質であり、唯一の本質的な違いは起源である。
DASHダイエットなどの高血圧治療食には通常、高濃度の硝酸塩が含まれており、唾液検査で検出されるように、一酸化窒素（NO）を形成する前に、唾液中でまず亜硝酸塩に還元されます。[27]
家畜飼料
家畜における硝酸塩中毒の症状には、心拍数と呼吸数の増加が含まれます。重症化すると血液や組織が青や茶色に変色することがあります。飼料中の硝酸塩濃度を検査することができます。治療は、既存の飼料を硝酸塩含有量の低い物質で補充または代替することです。各種家畜の硝酸塩の安全レベルは次のとおりです。[32]
上記の値は乾燥状態（湿気のない状態）を基準としています。
塩と共有結合誘導体
周期表の元素による硝酸塩の形成:
参照
- アンモニウム
- 富栄養化
- 海洋学におけるf比
- フロスト図
- 硝化作用
- ニトラチン
- 亜硝酸塩、陰イオンNO−
2 - 窒素酸化物
- 三酸化窒素、中性ラジカルNO
3 - ペルオキシナイトレート、OONO–
2 - 硝酸ナトリウム
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、硝酸イオンに関連するメディアがあります。
- ATSDR – 環境医学のケーススタディ – 硝酸塩/亜硝酸塩の毒性 (アーカイブ)