pHとは？水素イオン濃度の指標 — 定義・範囲・計算式の基礎

pHの基本を図解でわかりやすく解説。水素イオン濃度の定義・範囲・計算式、実例と測定のポイントまで初心者向けに詳述。

著者: Leandro Alegsa

24-12-2025 00:18

pHは溶液の酸性・アルカリ性を示す指標で、一般に0から14の尺度で表されます（ただし厳密には0–14に限定されるものではありません）。値が低いほど酸性、値が高いほどアルカリ性を示し、通常、酸性の溶液はpHが7未満、アルカリ性の溶液はpHが7より大きくなります。中性の溶液（例：純水）は、条件によりますが室温付近ではpH ≈ 7です。尺度としてのpHは、物質がどれだけ酸性かあるいはアルカリ性かを簡便に比較するために用いられます。

定義と起源

pHは溶液中の陽性の水素イオン（プロトン）の存在度合いを表す指標です。これは特に溶液中のプロトン（H+、実際にはヒドロニウムイオン H3O+ として存在することが多い）の「濃度」や「活性」を基に定義されます。化学者 S.P.L. ソーレンセンは1909年にpHの概念を導入しました。記号の由来は、pがドイツ語のpotenz（べき、指数、濃度を示す）を略したもの、Hは水素のイオン（イオンとしてのH+）を表しています。

計算式（濃度と活性）

教科書で最もよく示される式は、溶液中の水素イオン濃度 [H+]（単位：モル/リットル）を用いた次の定義です。

pH = - log 10 [ H + ] ${\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[{\mbox{H}}^{+}\right]$

ここで [H+] は H⁺（[H₃O⁺] と表記されることもあります）の濃度を 1リットル当たりのモル数（モル度とも呼ばれる）で示したものです。例えば、[H+] = 1.0×10^-7 mol·L^-1 のとき pH = 7 になります（これは純水の代表値、25°C付近での例です）。

より正確には、pHは水素イオンの「活性」a_H+を用いて定義されます。

pH = - log 10 [ a H + ] ${\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[a_{\mathrm {H^{+}} }\right]$

活性 a_H+ は理想希薄条件からの偏差（イオン間相互作用やイオン強度による効果）を考慮した値で、実務的には次のように書けます： $a_{\mathrm {H^{+}} }$ 。普通の濃度範囲では活性と濃度はほぼ比例するため、入門的な議論や多くの実習では [H+] を用いた式が使われます。

pHの範囲と極端な値

一般の水溶液ではpHは0から14付近に収まることが多いですが、極めて高い酸濃度や強塩基性条件では pH < 0 や pH > 14 となる場合があります。したがって pH を0–14に限定して考えるのは便宜的な近似であり、厳密には負の値や14を超える値もあり得ます。

pHと水の自動電離、pOH

水はわずかに自動電離しており、その平衡定数は温度に依存します。25°Cではイオン積 Kw = [H+][OH-] = 1.0×10^-14 です。ここから

pOH = -log₁₀[OH-]
pH + pOH = 14（25°Cの場合）

したがって、ある溶液の [OH-] が分かれば pOH を求め、pH が算出できます。

緩衝溶液とpHの保持

溶液のpHは酸や塩基を加えることで変化しますが、酸性成分とその共役塩基（または塩基とその共役酸）を適切な比率で含む溶液は緩衝作用を示し、pH変化を小さく抑えます。緩衝の定量的記述にはヘンダーソン–ハッセルバルヒの式がよく使われます：

pH = pK_a + log([A^-]/[HA])（対応する酸塩基系に対して）

pHの測定方法

ガラス電極を用いたpHメータ：最も一般的で定量的。使用前に標準緩衝液で校正（通常pH 4.00、7.00、10.00など）する必要があります。
指示薬（リトマス、フェノールフタレインなど）やユニバーサルインジケーター：簡易的に酸性・アルカリ性の有無や大まかなpH範囲を判定するのに有用。
比色法や光学測定：研究用途で高精度が必要な場合に用いられることがあります。

測定値は温度やイオン強度、電極の状態に依存するため、正確なpH測定ではこれらを考慮する必要があります。

単位と注意点

pHは「単位を持たない対数量」です（濃度や活性の対数）。そのため「pHの単位」といった表現は誤りです。また、化学実験や工業プロセス、環境・生物関連では温度変化や溶質の種類によりpHの解釈が変わることがあるため、測定条件の明示が重要です。

応用例

飲料水や環境水質管理（河川・海水の酸性化の監視）
工業プロセス（めっき、化学合成、廃水処理）
生体内の酸塩基平衡（血液のpHは厳密に制御されている）
食品加工や発酵（pHは微生物の活動や保存性に影響）

最後にまとめると、pHは溶液中の水素イオンの濃度または活性を対数的に示す無次元の指標であり、化学・生物・環境など多くの分野で基本的かつ重要なパラメータです。ほとんどの物質は0から14の範囲のpHを持ちますが、極端な条件ではこれを超える値を取ることがある点に注意してください。アルカリ性の溶液は水素イオンの濃度が低く、代わりに水酸化物イオン（OH^-）の濃度が高くなります。

pHインジケータ

特定の染料は、酸性溶液またはアルカリ性溶液にあるかどうかによって色が変わります。 pHインジケータは、溶液のpH（酸性または塩基性）を見ることができるように、溶液に少量加えられた化合物です。pHインジケータは、水素イオン(H₃O⁺)または水素イオン(H+)のための化学検出器です。通常、このインジケーターはpHに応じて溶液の色を変化させます。

代表的な指標は、フェノールフタレイン、メチルオレンジ、メチルレッド、ブロモチモールブルー、チモールブルーです。これらはそれぞれpHスケールの異なるポイントで色が変化し、万能な指標として一緒に使用することができます。

もう一つの方法は、天然のpH指標であるリトマス紙を使うことです。この紙を使えば、化学物質が強い酸なのか、強い塩基なのかを知ることができます。

いくつかの一般的なpH値

	ｐＨ
電池の酸	0
胃酸	1.0
レモンジュース	2.4
コーラ	2.5
酸素化された水	2.5 - 3.0
酢	3.0
オレンジジュースまたはりんごジュース	3.0
ビール	4.5
コーヒー	5.0
牛乳	6.6
純水	7.0
血	7.35 - 7.45
プレーンシャンプー	8.0
海水	8.0
永久波	8.5 - 9.2
ハンドソープ	9.0 - 10.0
染毛剤	9.5 - 10.5
マジックストレート	11.5
家庭用アンモニア	11.5
ブリーチ	12.3
苛性ソーダ	12.7
家庭用灰汁	13.5
ドレンクリーナー	14

一般的な物質のpH値

中和

中和は式でまとめることができます。

^H+
+ OH^-
→ H
2O

(酸＋塩基→水)

質問と回答

Q: pHとは何ですか?

A: pHとは、溶液中のプロトン（H+）の濃度を0から14までの酸性度合いで表したものです。物質がどの程度酸性かアルカリ性かを示し、酸性の溶液はpHが低く、アルカリ性の溶液はpHが高くなります。中性の溶液は通常pH7です。

Q: pHの概念を導入したのは誰ですか?

A: 1909年にS.P.L.Sørensenがこの概念を発表しました。

Q:「pH」の「p」は何の略ですか?

A:「p」はドイツ語の「potenz」の略で、力や濃度を意味します。

Q: pHはどのように計算するのですか?

A: pHの計算式は、1リットルあたりのH+イオン（[H3O+]とも書き、ヒドロニウムイオンが等しい濃度を示す）の濃度（モル濃度）を10倍した値の負の対数をとるのが一般的である。ただし、濃度だけでなく活性を考慮した式もあり、状況に応じて一般的な式とは異なる値を出すこともあります。

Q: ほとんどの物質は、pHスケールでどのような範囲にあるのでしょうか?

A:ほとんどの物質のpHは0～14ですが、極端に酸性やアルカリ性の物質はこの範囲外の値（0未満または14以上）になることがあります。

Q: アルカリ性の物質と酸性の物質は、pH値でどう違うのですか?A: アルカリ性物質は、酸のように水素イオンではなく、水酸化物イオン（OH-）を含むため、pH値が高くなります。

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