pH の文字がビーカーの中で半分水に沈んで立ち、その上の溶液が万能指示薬のように赤から黄、緑を経て青と紫へと色を変える。ビュレットからしずくが落ち、水面に輪が広がり、底から泡が立ちのぼり、撹拌子が回り、ガラス電極の球が光る。隅の計器が数字を示し、下の指示薬ストリップの目印が同じマスまで滑っていく。
単位シート
化学と実験室 第 1/1 葉 · 改訂 2026-09pH（水素イオン指数） pH
SI 外の量 · 量：溶液の酸性度、水素イオン活量の無次元の対数
単位をもたない対数の目盛り
1909 年、デンマークの化学者セーレン・セーレンセンはカールスバーグ醸造所の研究所で、酵素が麦汁の酸性度によってどう変わるかを調べ、毎日 1 リットルあたり 0.000 000 1 モルといった濃度を書き留めていた。ゼロを数えるのに疲れた彼は、数そのものではなく、マイナス符号を取った指数だけを書くことを提案した。こうして一千万分の一はただの 7 になり、それ以来、酸性度は後ろにどんな単位も付かない数で測られている。
この書き方は便利だが油断ならない。1 単位の差は 10 倍の変化を意味するので、pH 3 の溶液は pH 5 の溶液より 3 分の 1 酸性が強いのではなく 100 倍強く、二つの pH を足すことも平均することもできない。pH 2 と pH 4 の溶液を同じ体積ずつ混ぜても 3 にはならず 2.30 になる。足し合わされるのは濃度そのものであり、対数はその和からとるからだ。
このページでは、滴定で pH がどうふるまうか、なぜ 7 が 25 度のときだけ中性なのか、そしてアクアリウム愛好家なら誰もが測るこの量が、なぜ今でも「一つのイオンの活量」をどう決めるかという取り決めなしには厳密に測れないのかを示す。
小文字の p と大文字の H で、必ずこの順に間をあけずに書く。pH であって PH や Ph ではない。小文字は演算を、大文字は化学元素を表すからだ。数値は温度の度数と同じく記号の後に置き、pH 7.40 のように書き、その後に単位は書かない。
pH は酸の濃度でも強さでもない。同じ濃度の酢と塩酸はそれぞれ pH 2.9 と 1.0 を示し、緩衝液は多量の酸を含んでいてもほぼ中性の数値を示しうる。pKa とも混同しないこと。pKa は酸そのものの性質で、どれだけ注いだかには関係しないが、pH は溶液の性質である。
01 · 定義
対数 · 活量 · 中性点pH は溶液中の水素イオンの活量の常用対数に負の符号を付けたものである。活量は 1 リットルあたり 1 モルという標準濃度を基準にとるので無次元であり、したがって対数そのものも無次元となる。pH はいかなる単位でも測られず、数値だけで表される。
希薄な溶液では活量は濃度とほぼ一致し、pH はリットルあたりのモル数から直接計算できる。一方、濃い溶液や海水ではイオンどうしが互いに妨げ合い、濃度と活量の差は 0.1 単位の桁に達する。水そのものもわずかに水素イオンと水酸化物イオンに分かれ、25 °C ではその活量の積は 10⁻¹⁴ となる。両者が等量ある溶液が中性、すなわち pH 7 である。
水のイオン積は温度とともに急速に大きくなるため、中性点は沸騰時に 6.13 まで下がり、0 度では 7.47 まで上がる。pH 7 の溶液は 50 °C ではすでに弱アルカリ性であり、数値は同じままである。
ビーカーの色を変える二滴
左側では、25 ミリリットルの溶液が入ったビーカーにビュレットから滴定剤が滴下され、液体はそのときの pH に応じて万能指示薬で色づき、隅の計器が数値を示す。右側では滴定曲線が伸びていく。たどった部分は指示薬の色の太い線で、残りは細い灰色の点線で描かれる。水平の点線は中性点 pH 7、垂直の点線は当量点で、そこでは酸または塩基のすべてにちょうど必要な量の滴定剤が加えられている。
pH 2 と pH 4 を混ぜても 3 にはならない
pH 2 の溶液 1 リットルには水素イオンが 100 分の 1 モル、pH 4 の溶液 1 リットルには 1 万分の 1 モルあるので、混ぜた後の 2 リットルには 0.0101 モル、つまり 1 リットルあたり 0.00505 モルがあり、これが pH 2.30 である。酸性の強い溶液が結果のほぼすべてを決め、弱い方は希釈を加えるだけだ。だから、いくつかの試料の pH を単純平均して報告書に書くと、いちばん酸性の強い試料について必ず誤った姿を伝えることになる。
02 · 換算
濃度 · 物質 · 温度計器の数値から 1 リットルあたりのモル数へ
pH、水素イオンまたは水酸化物イオンの濃度、あるいは pOH を入力すると、このページが残りをすべて計算し、身近な物質と比較し、別の温度での中性点がどこにあるかを示す。どのタブでも溶液は同じで、変わるのは比べる相手だけである。
覚えておくきまり：pH の 1 単位は濃度の 10 倍の変化、0.3 単位は 2 倍の変化。
換算では活量を濃度に等しいとみなしているが、これは希薄溶液でしか成り立たない。海水、血液、強酸では活量係数の補正で答えが 0.1〜0.2 ずれる。物質の pH は代表値であって規格値ではない。レモン果汁、コーヒー、雨では試料ごとに 0.5 単位ほどばらつく。
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04 · 測定器
紙 · ガラス · 白金 · 緩衝液水素イオンを何で捕まえるか
ストリップの上の虹
万能指示薬は数種類の色素の混合物で、それぞれが自分の狭い範囲で色を変えるので、合わせると赤から紫までの目盛り全体を色分けできる。ストリップを溶液に浸すと溶液が紙を上がり、その色を印刷された色見本と目で比べる。精度はおよそ 1 単位だが、答えは 1 秒で得られ、計器もいらない。
酸を感じるガラス
特殊なガラスでできた薄い球は表面が膨潤し、水素イオンがその水和層と入れ替わるので、内側と外側の溶液の間に電位差が生じる。25 °C ではこの電位差は pH 1 単位あたり 59.16 ミリボルト変わり、温めると傾きが大きくなる。だから、まともな pH 計はいつも温度も測っている。
電気化学全体のゼロ点
海綿状の白金黒でおおった白金板に 1 bar の圧力で水素を吹きつけると、その上で気体と溶液中の水素イオンとの間に平衡が成り立つ。この電極は扱いにくく気難しいが、その電位は仲介なしに定義の式そのものに従う。世界中のガラス電極の校正に使われる一次標準緩衝液は、まさにこの電極で値付けされている。
測定のたびに用意する三つのビーカー
ガラス電極は劣化し、ゼロ点と傾きがずれていく。そのため作業の前に、pH が既知の緩衝液、ふつうは 25 °C で 4.01、7.00、10.01 を使って計器を確かめ、それをもとに直線を引き直す。この校正をしていない計器は小数点以下 2 桁の数値を示すが、2 桁目が信用できるのは、電極を未知の溶液に移すまでのことだ。
05 · 表記の規則
記号は数値の前 · 単位なし · 温度を添える記号の後に数値、単位はない
pH の記号は、単位のように数値の後ではなく、目盛りの名前として数値の前に置く。正確な値には、それを得たときの温度を添える。
右の 1 行目は、pH が単位であるかのように記号を数値の後に置き、2 行目は化学では何の意味もない大文字の P を書き、3 行目は指数に 1 リットルあたりのモル数を付けている。モルが存在するのは濃度の中だけだ。4 行目は対数を百分率に直しているので、0.3 の低下がささいに見えるが、実際には水素イオンは半分になっている。5 行目は存在しない「単位」を付け加え、6 行目は濃度を平均すべきところで対数を平均している。
06 · 隣り合う単位
濃度 · 対数 · 物質量pH の対数の下には 1 リットルあたりのモル数で表した濃度があり、対数であることが pH をデシベルの親戚にしている。デシベルも何十桁もの幅を短い目盛りに押し込む。そして pH が国際単位系とそもそもつながる唯一の SI 単位がモルである。
対数をとるもとの濃度そのもので、どれだけ酸を注いだかを数えるのにも使う濃度。
これも無次元の対数だが、電力の比をとり、係数 10 を掛ける。
物質量。pH はこれを通じて国際単位系とつながる。
07 · 歴史の部
資料 · 醸造所から IUPAC までゼロはいかにして目盛りになったか
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1 枚の紙に収まらない四つの段
柱の高さは pH 1、2、3、4 のときの水素イオン濃度を、対数ではないふつうの目盛りで表したものだ。どの柱も前の柱より 10 倍低く、4 本目はもうほとんど見えない。枠が順に柱をたどっていく。
セーレンセンが対数を選んだのは見た目のためではない。そうしなければ、彼が扱っていた量はどんな紙にも収まらなかったからだ。pH 1 から pH 7 までの七つの段は、線形の目盛りを 1000 万倍に引き伸ばしてしまう。
取り決めなしには測れない量
定義は一つの水素イオンの活量について述べているが、熱力学が測れるのは、反対の符号をもつイオンの活量の積だけである。溶液はつねに電気的に中性で、イオンを一つだけ取り出すことはできないからだ。したがって、定義どおりに厳密に言えば pH を測れる計器は存在しない。測れるのは、水素とともに塩化物イオンも加わった量だけである。
この隙間は取り決めで埋められる。ベイツ・グッゲンハイム規約に従い、塩化物イオンの活量係数を溶液論の簡単な式で計算し、そのうえで水素電極と銀・塩化銀電極を用いた液間接合のないハーネッドセルが、いくつかの基準緩衝液の一次 pH 値を与える。地球上のその他すべての測定は、校正の連鎖を通じてこれらの緩衝液に支えられている。
つまり、どの pH の数値にも測定そのものに加えて取り決めが入っている。二つの研究所が 100 分の 1 単位まで一致するのは、同じ自然を測ったからではなく、同じ規約を採用し、同じ緩衝液で校正したからである。