炭酸水素ナトリウム
炭酸水素ナトリウム（たんさんすいそナトリウム、sodium hydrogen carbonate）、別名重炭酸ナトリウム（じゅうたんさんナトリウム、sodium bicarbonate、重炭酸ソーダ、略して重曹とも）は、化学式 NaHCO3で表わされる、ナトリウムの炭酸水素塩である。常温で白色の粉末状である。水溶液のpHはアルカリ性を示すものの、フェノールフタレインを加えても変色しない程度の弱い塩基性である。水には少し溶解し、メタノールにも僅かに溶解するものの、エタノールには不溶。具体的には、水 (0 ℃) 100 g につき 6.9 g、水 (20 ℃) 100 g につき 9.6 g、メタノール (25 ℃) 100 g につき 0.8 g 溶解する。
Contents
合成
塩化ナトリウム溶液の電気分解で得られた水酸化ナトリウム溶液に二酸化炭素を反応させて製造する。
- <ce>NaOH + CO2 -> NaHCO3</ce>
工業的にはソルベー法により多量に製造される。これは炭酸水素ナトリウムの水への溶解度が比較的低いため沈殿することによる複分解反応である。
- <ce>{NaCl} + {H2O} + {NH3} + CO2 -> {NH4Cl} + NaHCO3 \downarrow</ce>
(矢印↓は沈殿を意味する) また、天然の鉱物を精製しても得られる。日本では旭硝子や東ソー・トクヤマなどが生産している。
反応
ソルベー法の過程で得られた炭酸水素ナトリウムは、焼成することにより炭酸ナトリウムの原料となる。
- <ce>2NaHCO3 -> [\Delta] {Na2CO3} + {CO2} + H2O</ce>
炭酸水素ナトリウムは両性の化合物で、炭酸の酸解離定数がpKa1 = 6.3、pKa2 = 10.3 であるため水溶液は pH = 8.3 程度の弱い塩基性を示す。
- <ce>{HCO3^-} + H2O\ <=> {H2CO3} + OH^-\ ,</ce> pKa [math]= 6.3[/math]
- <ce>{HCO3^-} + H2O\ <=> CO3^{2-}H3O^+\ ,</ce> pKa [math]= 10.3[/math]
酸と反応して炭酸と塩を与え、炭酸は二酸化炭素と水に分解する。
- <ce>NaHCO3 + HCl -> NaCl + H2CO3</ce>
- <ce>H2CO3 -> {H2O} + CO2 \uparrow</ce>
- <ce>{NaHCO3} + CH3COOH -> {CH3COONa} + {H2O} + CO2 \uparrow</ce>
- <ce>NaHCO3 + NaOH -> Na2CO3 + H2O</ce>
熱分解
加熱によって炭酸ナトリウム、二酸化炭素、水の三つの物質に分解する。粉末は270 °C で分解。水溶液は放置しておいても徐々に分解してゆくが65 ℃以上で急速に分解する。なお常温・常圧であっても空気中には水分が含まれるため、放置しておくと少しずつ分解していく。
- <ce>2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O + CO2</ce>
用途例
消火剤
粉末化し、流動性付与剤として無水ケイ酸やホワイトカーボンを加え、防湿剤として金属石鹸やシリコーンオイルをコーティングしたものが消火剤として用いられる。消防法施行規則第21条の規定による第一種粉末消火薬剤であり、B火災（油火災）とC火災（電気火災）に適応していることから「BC粉末消火剤」とも呼ばれる。
熱分解によって生成されたナトリウムイオンと燃焼反応で生じる遊離基（OH•、H•）が結合することで燃焼の継続を抑制するのが粉末消火薬剤の消火原理である。安価なことから、化学消防車や消防艇の粉末消火装置に用いられる。
- <ce>2NaHCO3 -> {Na2CO3} + {CO2} + H2O</ce>
- <ce>Na2CO3 -> {Na2O} + CO2</ce>
- <ce>{Na2O} + {OH} \cdot + {H} \cdot -> 2NaOH</ce>
また、酸と反応し二酸化炭素を発生するので、泡消火器、酸アルカリ消火器にも用いられる。
中和剤
調理
加熱によって二酸化炭素を発生する性質から、食材に練りこんで加熱すると、多孔質のふわふわ、サクサクした生地ができる。ベーキングパウダーなどとしてクッキー、パンケーキ、どらやき 等々を膨らませるのに用いられ、またカルメ焼きの欠かせない材料である。[1] 口中で炭酸ガスを発生させるソーダ飴などには粉末で封入される。ワラビなどの山菜のアク抜き、松の実などの臭み取り、豆を早く煮るため、肉を柔らかくする下ごしらえ、グレープフルーツや夏みかんの強烈な酸味を中和させるために直接かけたり、冷凍エビの食感改善などにも使うことができる。また、中華麺を打つときに入れるかん水とは本質的に同じものであり、麺打ちにも使われる。
このように食用ともされることから安全性が高いと見られている。ただし大量に摂取するとアルカローシスなどの問題を引き起こす恐れがあるとされているので、特に幼児が誤食しないように注意する必要はある。合わせて、体重 1 kg 当り約 1.26 g で呼吸器に異常をきたすとのデータもある[2]（ただし、通常の場合これほどの量を摂取することは考え難い）。
pH調整剤
pH調整剤として炭酸水素ナトリウム(重曹)添加の効果が認められている[3]。代謝性アルカローシスは、明らかな血圧降下作用を惹起すると指摘されている。この作用がチアジド系降圧剤の降圧機序の一因子であることが指摘されている[4]。
「炭酸水の素」
水に炭酸水素ナトリウムとクエン酸を混ぜるだけで炭酸ガスが発生し炭酸水となるので、飲料の材料としても用いられる。砂糖を加え「サイダー」にしたり、レモンを加え「レモンソーダ」にするということも可能である。余計なクエン酸ナトリウムが発生するため、市販の炭酸水とは味が異なる。
洗浄・脱臭
研磨効果、鹸化（乳化）効果から、洗剤や洗剤の補助としてティーカップなどの茶渋落とし、換気扇などの固着した油汚れ・焦げ落とし、練り歯磨きやうがい等に使用される。[6]
高温のスチームと重曹を高圧洗浄器で噴射することにより、重曹のつぶによるブラスト効果でコンクリート表面の汚れや落書きを効率的に除去する工法が開発されている。
重曹は、水質汚染で問題とされるBOD・COD値がなく、環境ホルモンも含まれていないため環境にやさしいとされる。また食品添加物としても使用できるくらい人体に対して安全であることも売りとなっている。
重曹と油脂が混じると脂肪酸ナトリウム（石鹸）が生成される。重曹水は石鹸水より弱いアルカリ性であり、油脂に対する洗浄効果は弱い。重曹は水に溶けにくく、十分に撹拌しなければ洗浄効果が低下する。携帯ポットなどは洗いにくい上、洗剤が落ちにくいが、重曹はその点洗い残しがあっても安全である。
酸性の臭いに対する脱臭効果があり、肉・魚臭さを消したり、靴箱の脱臭剤などにも使用できる。
入浴
天然の温泉に含まれる場合は重曹泉となり、これを模した入浴剤もある。炭酸水素ナトリウムは多くの入浴剤に配合されている。
医薬品
医薬品としては、胃酸過多に対して制酸剤として使われる。あくまでその場限りの対症療法であり、根治とはならない。また、胃液には塩酸が含まれているために、炭酸水素ナトリウムは急速に分解し二酸化炭素の気泡が発生する。この気泡が胃を刺激し、さらなる胃液の分泌を促進することが知られている。
また点滴剤はアシドーシスの対症療法に用いられる。ただし近位尿細管性アシドーシスに対しては、点滴ではなく経口的に投与し続けることでアシドーシスの補正を行う。なお投与がナトリウムの過剰摂取につながり高ナトリウム血症になることが稀にある。また、炭酸水素ナトリウムを服用、または、静脈内への水溶液の注射などをすると、尿のpHをアルカリ側に傾けること（=pHを上げること）ができる。このため、尿のpHが上がると排泄が速くなるような薬物（例えばフェノバルビタール）を、腎臓から尿中へとより速く排泄させるために炭酸水素ナトリウムを投与する場合がある[7]。
加えて、めまいを抑制することが経験則として判明している（内耳血流を増加させ、内耳虚血時の酸素分圧の低下を抑制していると考えられるが、発作時における三半規管の状態が観測困難なためいまだ確定はしていない）ことから、メニエール症候群を代表とする内耳障害による悪心・嘔吐を伴う発作に際しては、点滴剤に制吐剤を加えた上で投与される。これは前述の通り虚血部位である内耳のアシドーシスの補正・排泄サイクルの鋭化に基づく耳石の排出力の上昇等、炭酸水素ナトリウムの薬効性が複合的に機能することもあり、特に経口摂取が不可能なほどの重篤な発作においては有用となる。
この他、炭酸水素ナトリウムと無水リン酸二水素ナトリウムを混合した物を、坐剤として直腸内へ挿入することがある。この2つの物質が反応することによって、直腸内で二酸化炭素が発生することを利用して、直腸性便秘（腫瘍などの便の通過障害となる器質的な原因が無く、かつ、大腸の動きが鈍いことも原因ではないタイプの便秘。直腸に便が溜まるタイプの便秘。）の治療に用いられることがある。直腸内で二酸化炭素が発生すると、直腸の粘膜を刺激して、結果として排便を促す効果があるとされている[8]。 なお、大腸内に二酸化炭素が入り込んでも、いずれ粘膜を通して生体内に吸収されてしまうことが知られている。
臨床応用
- 消化性潰瘍（胃潰瘍、十二指腸潰瘍、吻合部潰瘍）
- 逆流性食道炎（胃食道逆流症）
- ゾリンジャー・エリスン症候群
- 胸焼け（英: heartburn & acid indigestion）
農業・園芸
酸性の土壌の中和に用いれば、アルカリ性の土壌を好む植物の生育がよくなる。一般的に土壌の中和は重曹ではなく、消石灰（水酸化カルシウム）が用いられる。農作物や人畜及び水産動植物に害を及ぼす恐れがないことが明らかなものとして、安全性の認められた特定農薬（特定防除資材）の1つであり、有機栽培でもウドンコ病等を防除するために使用される。農薬としてハーモメイトが登録され、一般に販売されている。ただし、炭酸水素ナトリウムは葉を褐変させる薬害が起こりやすいため、より薄い濃度で高い殺菌効果を持つ炭酸水素カリウムの方が多く用いられる[9]。
学習目的の実験
中学理科の「化合物の分解」でよく用いられ、生成する二酸化炭素を石灰水の白濁から、水を塩化コバルト紙の赤変から確認する。この実験を行う際、発生した水が加熱部に流れて試験管が割れるのを防ぐために、加熱する試験管の口を加熱部よりやや下向きにしておく必要がある。また、加熱している試験管から気体採取用にガラス管をつないであり、その先端が水中にある場合は、実験終了の際、加熱をやめる前にガラス管を水中から出しておく必要がある。これは、加熱をやめ、試験管内部の空気が冷え、気圧が下がった際、ガラス管を通じて水が逆流し、試験管が破損することを防ぐためである。
脚注
- ↑ なお、ダイジェスティブビスケット類（例えばマクビティなど）には、重曹が多く使われている。
- ↑ 『高杉製薬製品安全データシート（炭酸水素ナトリウム,重炭酸ソーダ）』 2006年4月1日 p.3
- ↑ 玉露缶ドリンクの品質に及ぼす酸化防止剤並びにpH調整剤の影響、大森 薫, 久保田 朗, 大森 宏志、茶業研究報告、Vol.1990 (1990) No.72
- ↑ 高血圧症に関する研究(第I報) : 酸塩基平衡の循環動態因子におよぼす影響について、竹越 襄、Japanese Circulation Journal、Vol.32 (1968) No.9
- ↑ パナソニック「洗濯機総合カタログ 2011/夏」内「洗濯乾燥機の賢い選び方」P5
- ↑ 洗濯機での使用を禁止しているメーカーもある（重曹が洗濯機内部で詰まり、水漏れや故障の恐れがあるため）[5]。
- ↑ その9 バルビタール系薬物
- ↑ 新レシカルボン坐剤の添付文書
- ↑ 低毒性化学農薬
関連項目
外部リンク
- sodium hydrogen carbonate, Pesticide Properties Database (PPDB)
- 炭酸水素ナトリウム 理科ねっとわーく（一般公開版） - 文部科学省 国立教育政策研究所