何も溶かしていない純水にも、H⁺ と OH⁻ があります。水分子どうしがぶつかったときに、ごくまれに H⁺ が受け渡されるからです。
その割合はとても小さく、25 °C では [H⁺] も [OH⁻] も 1.0×10⁻⁷ mol/L です。水分子 5 億個に 1 個ほどしか分かれていません。
分かれる数と戻る数が釣り合っているので、放っておいてもこの値は変わりません。図の矢印が両向きなのはそのためです。
水があるかぎり、[H⁺] × [OH⁻] は 25 °C でつねに 1.0×10⁻¹⁴ になります。これを水のイオン積 Kw といいます。
積が決まっているということは、片方が増えればもう片方は必ず減るということです。酸を入れて [H⁺] を 10⁻³ にすれば、[OH⁻] は 10⁻¹¹ まで押し下げられます。
だから片方の値が分かれば、もう片方も分かります。pH という 1 つの数だけで液性を言い表せるのは、この関係があるからです。
[H⁺] は 10⁻¹ から 10⁻¹⁴ という、桁の違う小さな数ばかりです。このままでは並べても比べにくいので、10 の右肩の数の符号を変えたものを使います。それが pH です。pH = −log[H⁺] と書きます。
[H⁺] が 10⁻³ mol/L なら pH は 3、10⁻¹⁰ mol/L なら pH は 10 です。図の上の段が濃度、下の段が pH で、右へ行くほど H⁺ は少なくなります。
中性の pH 7 は、[H⁺] と [OH⁻] がどちらも 10⁻⁷ で等しいところです。7 という数に特別な意味があるのではなく、Kw の平方根がそこに来るというだけです。
pH は桁を数える目盛りなので、1 の差が 10 倍にあたります。pH 3 と pH 5 では、H⁺ の数は 2 倍ではなく 100 倍違います。
図の粒の数を見てください。1 つ左の目盛りへ移るたびに、H⁺ が 10 倍に増えています。
胃液が pH 1、レモン汁が pH 2、雨水が pH 5.6、海水が pH 8 です。雨水と海水は数字の上では 2.4 しか離れていませんが、H⁺ の数では 250 倍以上の違いがあります。