酸性とアルカリ性とは何か?pHとは? 食品や温泉や体液は?

酸性とアルカリ性と中性について、きちんとまとめてみた。簡単なところから、もう一度確認していく。

酸性、アルカリ性、中性とは何か?

レモンみたいに酸っぱいものが酸性で、灰のように燃えて苦くなったものがアルカリ性である。

酸性とかアルカリ性というのは、さまざまな水溶液の特性をあらわすために使われる。液性ともいう。洗剤、食品など、いろいろな液体について測定されている。また、温泉でも必ず表示されている。

酸性というのは、塩酸とか胃液とか、ものを溶かしたり消化したりする動植物には強い反応を及ぼす液体である。硫酸のような強酸性の液体は大変に危険な劇薬である。一方、強アルカリ性の液体も人体に害を及ぼす劇薬である点では同じだ。

酸性・アルカリ性・中性を示す単位はpH。ドイツ語読みで「ペーハー」と発音したが、今では「ピーエイチ」とも発音する。

酸性・アルカリ性を示す単位はpH

酸性からアルカリ性に対して、おおよそ0から14の数値を対応させて、酸性とアルカリ性の度合いを示したものがpHという単位である。

「酸性・アルカリ性・中性の度合い」と言うのは効率が悪いので、「水素イオン指数」と言っても良いが、この言葉はあまりポピュラーではないので、pHという方が理解してもらえるだろう。

基本は、pH 7が中央で、これが中性に相当し、7未満が酸性、7を超えるとアルカリ性ということになる。
[正確にはpH7=中性とは必ずしも言えない。詳細は後で説明する。]

中性とは?

純水は、中性である。H+イオンとOHイオンの量が同じ時に中性となる。25℃の時の純水のpHは7となる。

pHが1小さくなると、実際の水素イオン濃度は10倍高くなる。これは水素イオン指数の定義が、「水素イオンの活量の逆数の常用対数」であるからである。数字が小さいほど、水素イオン濃度は高くなり、酸性は強くなる。

水素イオンの濃度が10倍になるごとに水素イオン指数は1小さくなるということである。

何が酸性で、何がアルカリ性か? (簡単な見分け方)

何が酸性で、何がアルカリ性なのか、化学式の例をあげて見てみる。

酸性の例:

塩酸:HCl
硫酸:H2SO4
硝酸:HNO3
炭酸:H2CO3
酢酸:C2H402

・酸性は、「○○酸」という名前が多い。酢酸とはお酢のことだ。
・先頭にHが付いている。酢酸は先頭がCとなっている。
・炭酸を除くと強酸で、塩酸、硫酸、硝酸は劇薬である。

炭酸というのは、水に二酸化炭素が溶けているので、化合してH2COとなるわけである。水と共に存在する炭酸は安定せず、どんどんと水と二酸化炭素に分離していく。

水溶液中では、 H2CO3 → 2H+ + HCO3 というイオンになって存在する。H+イオンがあるから、酸性に傾くわけであるが、二酸化炭素がジュワーっと出る時は、H2CO→ H2O + COとなるのである。

アルカリ性の例:

水酸化ナトリウム:NaOH
水酸化カルシウム:Ca(OH)2
水酸化カリウム:KOH
アンモニア水:NH4OH

・アルカリ性は、「水酸化○○」が多い。
・アルカリ性は、OH が付いている。

呼称や化学式から、酸性かアルカリ性かを完全に見分ける公式はないけれど、おおよその見当をつけるのには役立つので、覚えておいて損はしない。

酸性というのは水に溶けた時に、H+イオンを生じる物質である。アルカリ性というのは、OHイオンを生じる。

・塩酸は、HCl → H+ + Cl- となるので、
これは酸性である。

・水酸化ナトリウムは、NaOH → Na+ + OH

水とイオン

水は化学式で H2O である。水素原子が2個と酸素原子が1個が結合している。学校で「水は電気を通さないが、塩水にすると電気が通る」という実験をやった人もいるかもしれない。

純水はほとんど電気を通さないが、それはイオンが少なくて、電気を通す物質はイオンが多いということがある。(塩水の中では Na+、Clというイオンが濃度に応じて導電性をもたらすのである)

このイオンが多いほど電気を通すのであって、塩素や様々なものが混ざっている水道水よりも、不純物のない純水ほど電気を通さないのである。

純水や超純水においても、水分子のごく一部が電離して水素イオンH+と水酸化物イオンOHが存在するため、電気抵抗は無限大にはならない。

イオンを表現するときに、右肩に小さなプラスやマイナスをつけているのは、電子を与えたり、もらったりすることで、電気的に変化したことを意味しているからで、イオンについて言う時には必ず電気的な特性があるということだ。

水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度の関係は?

それぞれのモル濃度を水素イオン濃度[H+]、水酸化物イオン濃度[OH]と表現する。これは指数ではなく、実際の濃度のことだ。

25°Cの純水では中性なので、水素イオン濃度[H+]と水酸化物イオン濃度[OH]は等しくなる。そして、[H+] = [OH] = 1×10−7 mol/L となる。

純水に酸を加えると[H+]が増えて[OH]が減り、酸性になる。また、純水に塩基(アルカリ)を加えると[OH]が増えて[H+]が減り、アルカリ性になる。このように[H+]と[OH]の関係は、 一方が増えればもう一方が減る関係にある。

「温度が一定ならば、水素イオン濃度と水酸化物イオン濃度の積は一定の値になる」という関係がある。

 25°Cにおける、 [H+] × [OH] = 1×10−14 (mol/L)

純水に酸を加えて、[H+]が10倍になったとき、[OH]は減って1/10になるということだ。この関係は水溶液全般についてあてはまる。条件は温度が25℃だということだ。

水溶液が25℃のとき、水素イオン濃度[H+] = 1×10−3  mol/L であったならば、水酸化物イオン濃度[OH] = 1×10−11  mol/L となる。

[H+]と[OH]のどちらか一方が増えればもう一方が減る関係を使うことで、特定の温度の時の[H+]の量が分かれば、水溶液の酸性・中性・アルカリ性を表すことができる。

つまり、
酸性:[H+] > 10−7 mol/L  → [H+]が[OH]よりも多い
中性:[H+] = 10−7 mol/L  → [H+]と[OH]が等しい
アルカリ性:[H+] < 10−7 mol/L → [H+]は[OH]よりも少ない
ということだ。

pHの意味は?

[H+] が 10-7 mol/L よりどれだけ多いのか、どれだけ少ないかを考える。

例えば、
中性だと 10-7 であれば、10-7 = 0.0000001 となり、
強アルカリ性で 10-12 であれば、10-12 = 0.000000000001 となる。
強酸性で 10-2 であれば 10-2 = 0.01 である。

0.0000001と0.000000000001と0.01を比べても人間には扱いにくいし、何よりも間違えやすい。もっと細かくなって、0.0000000013と0.0000000024などとなるとどちらが大きいのか分かりにくく大変に不便である。

そこで、10-7とか10-5などのように、水素イオン濃度の指数の右肩の数字からマイナスの符号を外した値をpHとした。こういうのを対数表現という。

 [H+] = 10−n mol/L の時には、水素イオン指数 pH = n 

酸性:pH < 7
中性:pH = 7
アルカリ性:pH > 7

ここで同様に水酸化物イオン濃度を [OH] = 10−n mol/L の時には、
水酸化物イオン指数 pOH = n となる。

そして、pH + pOH = 14 が成り立つ。
( [H+] × [OH] = 1×10−14 (mol/L) と同じことである )

pHの温度変化による変化

ここまでは温度が25℃であった場合だ。

水は温度が上がると、pHが下がる。温度が高いほど、H+とOHに分かれてイオンになりやすい。分子がイオンに分かれることを解離という。

そして、他の物質の影響を受けずに解離することを自己解離という。温度が上がるとより自己解離する。

H2OがH+とOHに分かれてイオンになっても、それぞれのイオンの数は同数なので、中性のまま変わらない。にもかかわらず、[H+]の数は増えるので、pHに換算すると数値が下がるのである。

ど真ん中の中性であるままに、pH値が下がる。

ということは、つまり、温度によって、中性のpHが異なるということなのである。pHが温度によって変化することをpHの温度依存という。

次の表は、純水の中性の時のpH値を温度ごとに示した表である。

純水のpH値(温度依存)

温度(℃) pH
0 ℃ 7.47
10 ℃ 7.27
20 ℃ 7.08
25 ℃ 7.00
30 ℃ 6.92
40 ℃ 6.77
50 ℃ 6.63
60 ℃ 6.51

ということは、実は「中性はpH=7」というのは必ずしも正しくない。

40℃の時の、中性はpH6.77である。40℃でpH=7であったら、わずかにアルカリ性になっているということだ。

25℃の純水はpH=7であるが、この水を40℃まで加熱するとpH=6.77になるということである。元の純水が中性であったように、40℃の純水も中性である。ただpHの値が変わる。

このように、温度変化で水溶液の性質(液性)が変わるわけではないので、測定の時の温度を考慮しなければいけないということだ。

酸性・アルカリ性・中性に関する基準値について

家庭用品品質表示法における漂白剤・合成洗剤・石けんなどの液性は次のようになっている。

液性 pHの範囲
酸性 pH < 3.0
弱酸性 3.0 ≦ pH < 6.0
中性 6.0 ≦ pH ≦ 8.0
弱アルカリ性 8.0 < pH ≦ 11.0
アルカリ性 11.0 < pH

pH=7 を中心として両側に対称になっている。

温泉はどうなのか?

一方、温泉では少し数値が異なり、湧き出した時のpH値により次の通りに分類される。中性を真ん中に対称にはなっていない。

泉質 pH
酸性 pH < 3
弱酸性 3 ≦ pH < 6
中性 6 ≦ pH < 7.5
弱アルカリ性 7.5 ≦ pH < 8.5
アルカリ性 8.5 ≦ pH

考えられることは、温泉の温度が高いためにpHを7とすると中性からずれてしまうために中性をずらしているのであろう。40℃の時の中性のpHは6.77であるので、6と7.5の中央に近い。

そう思って色々と調べたが、環境省自然環境局「鉱泉分析法指針(平成26年改定)」を見ると、「6. 物理および物理化学試験、6-2 pHの測定」の項(p.25)を見ると、源泉における試料の採取については、「200〜500mLのポリエチレンびんに上部に空間を残さないように採取、密栓したのち急冷(または加温)して25℃とする」と書かれている。やはり、温泉も25℃で測定するのであれば、中性の中央値を7.0としていないのは温度のせいではないということになる。

弱酸性の幅をpH値で3としているが、弱アルカリ性ではpH値の幅で1しか余裕をもたせていない。これは、アルカリ泉が少ないこともあるだろうが、もっと重要なことは、アルカリ性は肌の感覚では感じ取りにくく、肌を痛めるリスクが高いことを考慮したのではないかと思う。

イオンの活量について

温泉水には様々なイオンが多量に溶けている。ミネラルも多量に存在する。イオンの量をそれ単体で計測することが難しいので、イオンの濃度ではなくて、活量を扱うことが多い。

化学的にはイオンの濃度よりも活量が重要になってくる。活量とは、化学表現で言い換えると「熱力学的に有効な濃度」である。現代のIUPACやJISでもこの活量を基礎として水素イオン指数が定義されている。

実際の溶液中では、イオンの能力は分子間力で打ち消されて100%働くことはない。理想的な状態を実際の状態に近づけるための係数が活量係数である。

活量係数(f) × 濃度= 活量

この活量係数(f)は、計器では測定できないので、計算や実験によって推測することになる。

pH = – log(aH)
aH:水素イオンの活量
aH = f * [H+]  ここでfは活量係数である

とすると、これはpHの定義そのものである。現在のIUPACやJISで採用されているのも、この活量を用いた定義となっている。

身近な液体のpH

pH 1 胃液
pH 2 レモン果汁
pH 3 お酢
pH 4
pH 5 コーヒーのブラック
pH 6 雨水(通常の雨)
pH 7 純水
pH 8 海水
pH 9
pH 10 石鹸水
pH 11
pH 12 石灰水、コンクリート
pH 13 塩素系漂白剤、カビ取り剤
pH 14 アルカリ乾電池の電解液

 

食品のpHとは何か?

食品の酸性・アルカリ性というのは、元となる食品のpH・水素イオン濃度とはあまり関係がない。

食品を燃やした灰を水に溶かしてpHを計測したものが、食品の酸性・アルカリ性である。梅干しは酸っぱい酸性であるが、食品の計測ではアルカリ性になる。梅干しを燃やした灰を計測するからである。

そのまま水溶液にしないで、一旦燃やしてからというのは、それが人間の体内で燃焼させた後に吸収されるので、その方が人間の体内に最終的に残る時に近いだろうという考えがあってのことである。

火をつけた燃焼と、体内の燃焼とは、酸化作用であって類似しているということから、燃やした後の物質を水に溶かして計測している。

ただしこれには異論があって、燃焼させる前にも体内に吸収され、その時点で賛成やアルカリ性の性質を発揮するのである。何もエネルギーとして燃焼させた後ばかりとは限らない。

食品に対しての酸性・アルカリ性というのは、体内で消化・燃焼された後に、つまり消化の後に、人体にどういう影響があるかを考えようとしたものだ。途中経過は考えていないということでもある。

不思議な体内バランス

酸性の食べ物を大量に摂取すると、尿が酸性になって酸性の物質を排出する。アルカリ性のものを大量に摂取した場合は、その逆にアルカリ性の尿となって体外に排出して、体液のpHを弱アルカリに保つのである。

多くの野菜、あるいは味噌や梅干しのようなアルカリ性食品の必要性を訴える人々もいるけれども、それが体に良いことなのかは一概には言えない。ただアルカリ性食品を食べれば良いというものではない。

酸性の食品を大量に食べていても、体液が酸性に傾いたというデータはないようだ。これは生死に関わることなのだ。

だからこそ、酸性・アルカリ性の食品摂取の結果として、尿による排出で体液のバランスを取っているということらしい。

食品添加物のリン酸

アルカリ性食品というのは、野菜が多い。野菜をとる目安にしても良い。また、カルシウム、鉄、マグネシムなどは体内でアルカリ性になり、リン、イオウ、塩素は酸性になる。

リンは必須の物質であるが多くの食品にリン酸(塩)という添加物として入っているので、現代人は過剰摂取になっていると言われる。アルカリ性食品は、現代人の食生活の偏りを戻す指標としては分かりやすいかもしれない。でもこれは絶対ではない。

人体のいろいろな酸性・アルカリ性について

ヒトの肌は弱酸性、胃液は酸性、血液は弱アルカリ性、腸内はアルカリ性と人体にはさまざまなpHはある。

皮膚は弱酸性

ヒトの皮膚には常在菌がいて、およそ1兆個以上いると言う。皮膚にいる菌は、表皮ブドウ球菌、アクネ菌、黄色ブドウ球菌などが多くいる。

表皮ブドウ球菌は、皮脂をトリグリセリド、脂肪酸、グリセリンに分解して、皮膚を弱酸性に保つ。アルカリ性になると悪性の強い病原菌がはびこるのを防ぐ。

アクネ菌は、ニキビの原因菌であるが、通常は皮膚を守る役目を果たしている。思春期やストレスや偏食などで異常増殖して炎症を起こしたりする。

黄色ブドウ球菌は、通常は害を及ぼさないが、皮膚がアルカリ性になると活性化して、炎症やかゆみを起こす。洗いすぎや引っかき傷でアルカリ性になると注意が必要になる。食中毒やとびひの原因菌にもなる。

血液は弱アルカリ性

人間の血液は、海水を体内に取り込んだものだと言われることがあるが、今の海水とヒトの塩分濃度は大きく異なっている。海水の塩分が3.5%で、ヒトの血液塩分は0.9%前後である。

脊椎動物が陸に上がった3億6000万年前の地球の海の塩分濃度が1%弱だったので、その時を基準にするとほぼ同じ濃度だ。

pHについて言えば、ヒトの体液は、7.4pH ± 0.05 (7.35~7.45) に保たれていて、非常に狭い範囲にコントロールされている。それは、血液の液性が、この狭い範囲内にないと生きてはいけないからだ。

pHが7.5以上になるとアルカローシス、pHが7.3以下の場合にはアシドーシスと言って、生命にとって危険な状態に入りってしまう。

先ほど、二酸化炭素が溶け込んだ水は酸性になると説明した。酸素と二酸化炭素をガスとして交換するのは肺の機能である一方で、腎臓も体液のバランスをとるように体外に排出することで調節する機能を持っている。

体液は、この二つの臓器の働きで変化していく。肺が二酸化炭素排出と酸素の取り込みを行っているので、ここで一時的な血液のpHが決定する。このpHが酸性かアルカリ性に傾いていると、腎臓が正常化しようと働く。(順序関係を示しているわけではない。)

海水のpHはおおよそ8.1であり、ヒトの体液は7.4pH ± 0.05なので、もう現代の海は母ではなく、遠く彼方の先祖となった。さらにこれからヒトはどうなっていくのか?

腸内はアルカリ性

さて、腸液はアルカリ性である。ふうむ、そんなこと考えてもいなかった、という人が多いようだ。

下痢をするとお尻がヒリヒリするのは、アルカリ性の腸液がそのまま肛門に到達するからで、肛門の周辺の皮膚のタンパク質を溶かしてしまうことで炎症するからだ。

胃壁は強酸性に耐えられるよう、胃の内側の粘膜から粘液を出して0.5mmの膜を作って守っているのである。

同じように、腸も強いアルカリ性の液体に耐性があるのかと思えば、実はそういうことではない。実に、腸内の細胞はほぼ1日で死んでしまう。

うんちの構成要素は、水分が約60〜65%、腸壁細胞の死骸が15〜20%、腸内細菌の死骸が15〜20%、食べ物の残りカスが約5%と言われている。
(いろいろなデータがあり、個人差も大きいと考えられる。)

腸液がアルカリ性である理由はいろいろと考えられる。胃液が強酸性であるので、後工程で中和できるようにという考え方がまずある。

しかしながら、腸内細菌の働きとして考えられていることは、以下の通り多岐にわたっている。
・食べ物の消化・吸収や便の形成
・ビタミンの生成(B2、B6、B12、ビタミンK、葉酸・・・)
・脳内伝達物質の合成(ドーパミン、セロトニン)
・免疫機能の維持
・必須アミノ酸・酵素の合成
・腸の蠕動運動の促進

ヒトが生きるためのかなり重要な部分が腸内細菌に肩代わりしてもらっているようだ。腸内細菌は、1000種類以上あり、その数は100兆個以上と言われる。

この腸内細菌と共生することがヒトにとって、とても重要なことであるから、これが最優先事項となって、腸内細菌のために動いているようになったと考えるのが妥当ではないか。

腸内の乳酸菌をはじめとする腸内細菌の働きを助けるのが、アルカリ性である。乳酸菌が働いた後にできる物質が乳酸で、これは酸性である。乳酸菌は、酸性の環境ではうまく増殖できないことが知られている。

そのためにヒトの腸では、腸内細菌が生活しやすいようにアルカリ性の液体を分泌するようにして、たとえは悪いがそのために腸壁細胞には1日で死んでもらうことになったのである。

腸内細菌は人が生きていくために必須が、ヒトとは別の生物群なので、人によっても保有し生育する細菌の種類も異なる。研究はまだあまり進んでいない。未知のことが多いようだ。

 

その他、断片的なこと

  • 純水は、空気に触れるとCO2を溶け込ませるので、少し酸性に変化する。
  • 雨が降ってくる途中で空気中の二酸化炭素を溶け込ませていき、水に溶ける最大量の二酸化炭素を含んだとすると雨のpHは5.6になるという。実際にはpH6.0くらいまでだそうだ。
  • 海水は、溶け込んでいるミネラル類等によってアルカリ性である。しかし、近年は、大気のCO2が増加した結果、海水もその影響を受けて、少し酸性よりに(中性の方向に)近づいている。海水の酸性化というのは、アルカリ性が中性に向かっているということである。
  • 気象庁のデータでは、1985年に日本近海の北緯30度でpH8.15だったが、2015年には8.10であった。海水の酸性化は少しずつ確実に進んでいる。

 


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