2018年1月15日月曜日

化学式でわかる大磯砂の酸処理~貝殻でpHが上がる理由、クエン酸で溶けるとどうなる?~その実際の方法!

クエン酸で大磯砂を酸処理してみた


どうもこんにちは。ごん太です。

さて、前回は・・・

大磯砂が硬度(GH、KH)とpHを上昇させる理由を化学式で解説してみました。

なんでこんな話をブログのネタにしているかといいますと、もともとは大磯砂の酸処理をネタにするためなんです。

でもせっかく酸処理について色々調べたのになんかもったいない!

ならばついでに酸処理の化学式もネタにしてしまえ!

というわけで、脱線ネタが続いているわけなんですね。

・・・

その発端は現在利用している桜大磯砂の劣化で、その交換というのが当初の目的なわけなんですが・・・この辺の流れは割愛します。

(・・・つまり本筋から大脱線しているわけです・・・。)

・・・

そんな前回は大磯砂が硬度を上げる化学式をネタにしてみましたが、今回は・・・

クエン酸で処理した場合の化学式と酸処理の方法&道具、そして酸処理の中の写真

とまぁ欲張った内容で紹介したいと思います。

ただ、作業しながら書いてますので、変更点や気が付いた点など追記事項があるかもしれません。

その辺は次回の補足しますので、そちらをご覧ください。

それでは目次、サイト内リンクに続きまして本文へ入っていきます。
続きをどうぞ!


(サイト内リンク:底砂レビュー・大磯砂酸処理・軟水化など)

当ブログの関連記事です。
よろしければ、こちらもあせてご覧ください。


では、次の項では前回のおさらいを解説し、そのあとに実際の酸処理の方法についての説明となります。では続きをどうぞ!。


大磯砂が硬度を上げる理由(前回のおさらい)


お断り


まず、お断りを。

ごん太は残念ながら化学屋さんではないので詳しい化学式はわかりません。

化学屋さんからしたら突っ込みどころ満載とは思いますので、
ご理解の程をよろしくお願いします。


貝殻の主成分は炭酸カルシウム


というわけで、話を始めます。
さて、大磯砂っていうのは貝殻を多く含みます。

そして、この貝殻の成分は炭酸カルシウムで、これが硬度(GH、KH)とpHを上昇させるわけです。

以下、炭酸カルシウムが硬度とpHを上げる理由について簡単に解説したいと思います。

基本的に炭酸カルシウムというのは水に溶けにくいのですが、、、
酸や水や二酸化炭素に反応して炭酸水素カルシウムになり水に溶けます。

ただ、 CO2添加している水草水槽でスネールたちの貝殻が溶ける!なんてことは聞いたことがないと思います。

つまるところ、実際に溶ける量というのは微々たるものです。


炭酸カルシウムが水に溶けるとGHは?KHは?


さて話は変わりまして、
そもそも水に溶けるということは電離してイオンになるということです。
そんなわけで、炭酸水素カルシウムは、カルシウムイオンと炭酸水素イオンにわかれます。

ざっくりといままでの話を化学式にするとした下のような感じになります。

CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2
炭酸カルシウム + 水+二酸化炭素 → 炭酸水素カルシウム

Ca(HCO3)2 → Ca2+ + 2(HCO3-)

炭酸水素カルシウム
カルシウムイオンGH上昇 + 炭酸水素イオンKH上昇

というわけで、上の式の意味を説明すると・・・

まずGHというのは、マグネシウムイオンとカルシウムイオンの総量なわけです。
なので、カルシウムイオンが増えればGHは上がるということになります。

また、KHというのは炭酸水素イオン量のことです。
こらまた炭酸カルシウムが溶けるとKHが上昇するという話になります。


炭酸カルシウムが水に溶けるとpHはどうなる?


ここからは話が変わりまして、
上の化学式をpHの観点から読み解いてみたいと思います。

まず、pHとは水素イオンの濃度の逆数の常用対数・・・

(つまり水素イオンが多ければpHは低くなる)

・・・のことです。

ですから・・・

なんらかの理由で水素イオン(H+)が消費されると、水素イオンが減るわけですから、水素イオン濃度は低下(pHは上昇)というわけです。

さて、上の反応では炭酸カルシウムから数段回の反応を経てカルシウムイオンと炭酸水素イオンに電離したわけですが・・・

この炭酸水素イオンが仮に水素イオンと結合すると、中和され炭酸となり、炭酸はそのままの形を留めるのが難しい物質ですから、さらに反応は進み水と二酸化炭素になります。

化学式を書くと下の通りになります。

HCO3- + H+ → H2CO3 → CO2 + H2O
炭酸水素イオン + 水素イオン →
炭酸 →
二酸化炭素 + 水

さてここで式を見返してみると、

右側に式が進むと水素イオン消費さることになるわけですから、これはpHが上がる(アルカリ性に傾く)ということを示しています。


pHと魚、pHと水草の関係


さて、pHと言えば硝酸塩の蓄積具合の指標でもあるのですが、魚の住みやすさの指標でもあります。

例えばアマゾン川原産の魚(プレコなど)は中性から酸性を好みますし、金魚は中性~アルカリ性、マラウイ湖原産のアフリカン・シクリッド はアルカリ性を好みます。

それになるようにpHを整えてあげるのがそれらの魚の飼育の第一歩になるのですが、、、

プレコや金魚、そしてシクリッドなど大食漢の魚がいる水槽はどうしても硝化作用が進みことでpHが下がりやすく、徐々に魚に取って住みづらい水質へとなっていきやすいのです。

しかし、そうなるのを防ごうと考えるのがアクアリストなわけで、、、
金魚には大磯、アフリカンシクリッドにはサンゴ砂(サンゴの骨格は炭酸カルシウム)などを利用するわけです。

(なおプレコは弱酸性と新鮮な水を好むため、底床でpH低下カバーするよりは、水替えとゴミ拾いでpH低下の原因となる汚れを取り除くことが一般的に推奨されています。)

例えば金魚水槽では大磯砂を利用することで、貝殻(炭酸カルシウム)により水素イオンを中和しpHが下がりづらくなり、水質の急激な変化を防ぐことができます。

そんなわけなので金魚という中型魚がポピュラーな日本において大磯砂はメジャーなものとなっています。

ただし、

pHが低くなるよう調製するのがキモな水草水槽では炭酸カルシウムの水素イオンを中和しpHを緩衝する力(=KH)や、その結果の高めなpHは邪魔ものになります。

つまり、炭酸カルシウムをなんとかしないと、KHやpH上昇してしまう原因になるのです。

そこでクエン酸!

化学式だらけで話が長かった前回のおさらいはここまでで、次の章からクエン酸と炭酸カルシウムについての話になります。


炭酸カルシウムとクエン酸を混ぜると・・・


クエン酸の化学式は?


まずはクエン酸の化学式から。

C3H4(OH)(COOH)3

なにやら長いですが、これがクエン酸の化学式です。
これが水に溶け電離するととどうなるか?

C3H4(OH)(COOH)3 → 

C3H4(OH)(COO-)3 + 3H+
クエン酸         水素イオン

上のように、3つあるカルボキシル基(-COOH)から3つの水素イオンが電離します。

ですから、水素イオンを出しまので、水に溶けると酸性になるということになります。


炭酸カルシウムがクエン酸に溶けるとどうなるの?


この酸性の力で普段は水に溶けにくい炭酸カルシウムを溶かし、イオンに分かれます。
反応式で書くとこんな感じ。

CaCO3 → Ca2+ + CO3 2-
炭酸カルシウム → 
カルシウムイオン + 炭酸イオン

以下・・・

カルシウムと炭酸イオンが別々に反応が進むので、
それぞれの化学反応を説明していきたと思います。


カルシウムイオンがクエン酸と結合すると・・・


上の反応式のうち、まずはカルシウムイオンとクエン酸に着目して化学式を記します。

カルシウムイオンは水に溶けたクエン酸と結合します
このとき、2つのクエン酸で、3つのカルシウムイオンを挟むようにして結合し、クエン酸カルシウムとなります。

3Ca2+ + 2C3H4(OH)(COO-)3 → 
Caイオン   クエン酸 

Ca3[C3H4(OH)(COO)3]2
クエン酸カルシウム

このときのクエン酸カルシウムは水に溶けにく性質になりますから、白濁した水溶液になったり、結晶ができることとになります。


ブクブク気泡の正体とは?


次は炭酸イオン(CO3 2-)に着目して発生する気泡について解説します。

まず炭酸イオンはクエン酸より電離した水素イオンと結合して中和され炭酸となります。
さらに炭酸は不安定なので、水と二酸化炭素に変わってしまいます。

これを式にすると↓の通りになります。

3CO3 2- + 6H+ →

炭酸イオン 水素イオン         

3H2CO3 → 
炭酸

3H2O + 3CO2

水  二酸化炭素

というわけで・・・

ブクブクと二酸化炭素が発生することになります。


もちろん、炭酸から水素イオンと炭酸水素イオンという組み合わせにもなりますが、その説明は今回は割愛します。


式をまとめると・・・


ですから、式をまとめると、

3CaCO3 + C3H4(OH)(COOH)3 → 
炭酸カルシウム  クエン酸         

Ca3[C3H4(OH)(COO)3]2 + 3H2O + 3CO2
クエン酸カルシウム    水  二酸化炭素

ということになります。
反応の結果、水と二酸化炭素(ブクブク)と、、、

少し水に溶けにくい性質を持つクエン酸カルシウムができる

ということになります。

というわけで、小難しい化学式の話はここまで!。
↓より実験パートに入ります!。


大磯砂をクエン酸で酸処理する道具


何を今更?とおっしゃる方も多いと思いますが、今回はクエン酸で酸処理します。

(いままではそのための前置きだったわけです。)

そもそも酸処理にもちいる「酸」には・・・

・クエン酸
・酢酸(お酢)
・塩酸


など、様々な種類があり、酸処理の方法も実に様々ですが、、、
クエン酸を選んだ理由は入手しやすくコスパが良好だからです。

そんなわけで、クエン酸の利点をリストアップしてみました。

(クエン酸の利点)
 
 ・100均で売っている
 ・水溶液にした時に臭わない
 ・掃除用なら200g入って¥100


さて、クエン酸は確かに炭酸カルシウムは溶かしますが、

↑の化学式のように・・・

「クエン酸カルシウムの結晶として大磯砂に残留する」

ということを頭に叩き込んでおく必要があります。

結局、最初は地道に貝殻を取り出し、最後はクエン酸カルシウムの結晶を地道に取り出す工程が待っているわけです。

ですから、やっぱりテデトール大切!ということになりますね。

ただ、実際に体験した話を元にし記しますが、クエン酸カルシウムの結晶は貝殻よりもはるかに小さくそして柔らかいので、しっかりすすぎ洗いすればその除去は簡単です。


道具一覧


・大磯砂 2.4kg
・バケツ 
・クエン酸 3袋(600g)
・水 5L
新聞紙 → 「大きいトレー」がお勧めです。

・ろ材ネット


大磯砂


今回は水作さんの大磯砂を利用しました。
この大磯砂、0.8kg入で¥250と少々お高いのですが・・・

あからさまに貝殻とわかるような破片やゴミがほとんど入っておらず、
なかなかの高品質でした。

とはいえ、「貝殻のような感じの物」・・・
つまりはっきりと貝殻とはわからないが、なんだか疑わしいというような物はしっかりと混じっていましたので、、、

念には念を入れて洗浄前に手で除去しておきました。
また、底砂を利用する前のお約束ですが今回はしっかり洗浄して利用しました。

今回酸処理をしたスドーの大磯砂



クエン酸はダイソーのものを利用


さて、クエン酸はダイソーで入手したお掃除用のクエン酸を利用します。
今回は3袋利用しました。

お掃除用ですので、クエン酸の他に何が入っているかわかりませんので、
酸処理後の洗浄は入念に行うこととします。

(ここで「入念に」なんて言葉を書いていますが、その後「入念に」洗浄せず失敗することになります。。。詳しくは次回!。)

酸処理で利用した100均で売っていたクエン酸


大磯砂は洗濯ネットではなくろ材ネットに入れるのがおすすめ!


また、今回は取り扱いがいいように大磯砂を洗濯ネットに詰め込んで酸処理しましたが、チャック部が溶けてしまうという失敗をしました。

チャックのついていないメッシュでできた袋なら何でもいいと思いますが、手短なところでろ材ネットと紹介しておきました。


大磯砂をクエン酸で酸処理する方法


ここからは、実際の作業の紹介となります。
なお、記事投稿時点では酸処理は完了していないので、途中までの紹介となります。


一度トレーに出して、よく観察しながら貝殻を除去する


いわゆる「テデトール」です。
よーく目を凝らして貝殻を探し、見つけ次第手で取り除きます。
今回はほとんど貝殻の破片が見つかりませんでした。

が・・・

貝殻のようで貝殻でなさそうな砂利ではない不思議な感じのものも若干入っていたので、除去しておきました。

なお、上記の通り新聞紙ではなく大きなトレーがお勧めです。
詳しくは次回紹介します。


大磯砂をよく洗う


よーく洗います。。。
気が済むまであらいます。。。。

底砂の洗い方は人によってそれぞれでしょうが、
ごん太はお米を研ぐように10回程度洗ってはすすぎを繰り返しました。

ただ、そんな感じで素手で洗うと爪がボロボロになるので、
軍手やゴム手袋などで手を保護したうえで洗浄したほうが良いでしょう。


大磯砂を洗濯ネットろネットに入れる 


↑でも記しました通り、金属製のチャックがある袋はお勧めできません。
ですので、金属製のチャックのついていないろ材ネットをお勧めします。


水を貼ったバケツに大磯砂が入った洗濯ネットを入れる


今回は、バケツに水5Lを張り、そこに大磯砂2.4kg(800g×3袋)を入れた洗濯ネットを投入しました。

下の写真は水に浸けた直後の写真です。


クエン酸を入れる前の大磯砂。


クエン酸を投入する


ダイソーで購入した掃除用のクエン酸を600g(200g×3袋)↑のバケツの中に入れます。
投入後はよくかき混ぜてクエン酸を溶かします。

クエン酸投入後しばらくすると、気泡が上がり始めます。

この気泡自体は↑の化学式のように二酸化炭素ですが、、、
今回の失敗のように不純物(金属製のチャック)を溶かしてしまった場合、有害なガスが発生することも無きにしも非ずです。

ですから・・・

必ず屋外で作業してください。


気泡が出なくなるまで放置


先に紹介した化学反応の式によれば、気泡が出なければ反応が止まっていると考えてよさそうですので、、、

気泡が止まる=酸処理の終了

そのように判断してもよさそうです。

ただし、今回は念には念を入れて1週間ほどクエン酸に浸しっぱなしにしました。


pHが低いままか?を確認


また、↑の化学式にもあった通り、この反応の一部に中和反応もありますから、
pHが上昇したりpHの中性付近に上昇していればクエン酸不足で反応が止まってる判断できます。

そんな場合は追加のクエン酸を入れてみてください。

・・・

ただpHを測定するにも試験紙や試薬が必要で、何かとコストアップにつながります。
なので、今回は少量の水に多めのクエン酸を投入することにしました。

こうすれば逐一pHを測定しなくても済みますからね!。


今後の予定



※当記事投稿時作業は上記⑥・⑦をしている最中です

以下作業予定です。
次回紹介予定です!。)

(8)、大磯砂が入っている洗濯ネットをバケツから取り出しよくすすぐ。
(9)、トレーに大磯砂を出してクエン酸カルシウムの除去する
(10)、硬度・pHが上がらないか(下がらないか)確認
(11)、できあがり


作業にあたっての注意点など


酸処理の終了条件については諸説あります。

pH上昇しなくなったり、気泡が止まったりといったような化学反応の停止を終了条件としているもの、または一定期間の経過を終了条件としているものなど。

上記の方法では化学反応の停止を終了条件として記していますが・・・

一定の期間の経過を終了の目安としている方法もありますので、紹介しておきます。

(一滴期間の経過を終了条件とする場合)
(1)、半日~1日
(2)、1日~3日
(3)、1週間~2週間


と・・・結構まちまちです。

なお、ごん太の場合実際気泡が止まるのは半日後でした。

しかし・・・

酸処理が不十分で、水槽に設置した後に再度酸処理をする手間を考えると、とてもとてもめんどくさそうなので、、、

1週間ほど入念に酸処理をして、時間をかけて大磯砂の洗浄を行うことにしました。

(ただし、洗浄不足で失敗します。)

酸処理中の大磯砂。溶液の色が若干だが黄色になっている
(酸処理中の大磯砂。溶液の色が若干黄色味を帯びている・)


あとがき


というわけで、結構長い内容になりました。
なお、現在大磯砂は酸処理3日目(上の写真)となっています。
次回は

今回掲載できなかった洗浄の手順の写真と硬度に影響を及ぼさないか?実験をしてその結果も掲載したいと思います。

それでは次回もお楽しみに!

(更新:2020/4/10)

0 件のコメント:

コメントを投稿