Jony hydroniowe i wodorotlenkowe są obecne zarówno w czystej wodzie, jak iwe wszystkich roztworach wodnych, a ich stężenia są odwrotnie proporcjonalne, jak określono na podstawie iloczynu jonowego wody (K_w). Stężenia tych jonów w roztworze są często krytycznymi wyznacznikami właściwości roztworu i zachowań chemicznych innych jego substancji rozpuszczonych. Dwa różne roztwory mogą różnić się stężeniami jonów hydroniowych lub wodorotlenkowych milion, miliard, a nawet bilion razy. Powszechnym sposobem wyrażania wielkości, które mogą obejmować wiele rzędów wielkości, jest użycie skali logarytmicznej. pH roztworu definiuje się zatem w sposób pokazany poniżej, gdzie [_H3O⁺] jest molowym stężeniem jonu hydroniowego w roztworze:

Przegrupowanie tego równania w celu wyizolowania molowości jonów hydroniowych daje równoważne wyrażenie:

Podobnie, molowość jonów wodorotlenkowych może być wyrażona jako funkcja p lub pOH:

lub

Wreszcie, zależność między tymi dwoma stężeniami jonów wyrażonymi jako funkcje p można łatwo wyprowadzić z wyrażenia K_W:

W temperaturze 25 °C wartość K_W wynosi 1,0 × 10⁻¹⁴, a zatem:

Molarność jonów hydroniowych w czystej wodzie (lub dowolnym roztworze obojętnym) wynosi 1,0 × 10⁻⁷M w temperaturze 25 °C. pH i pH obojętnego roztworu w tej temperaturze wynoszą zatem:

I tak w tej temperaturze roztwory kwasowe to te, w których molowość jonów hydroniowych jest większa niż 1,0 × 10⁻⁷M i molowość jonów wodorotlenkowych mniejsza niż 1,0 × 10⁻⁷ M (co odpowiada wartościom pH mniejszym niż 7,00 i wartościom pOH większym niż 7,00). Roztwory zasadowe to takie, których molowość jonów hydroniowych jest mniejsza niż 1,0 × 10⁻⁷ M, a molowość jonów wodorotlenkowych jest większa niż 1,0 × 10⁻⁷ M (odpowiadająca wartościom pH większym niż 7,00 i wartościom pOH mniejszym niż 7,00).

Ponieważ stała autojonizacji K_W jest zależna od temperatury, te korelacje między wartościami pH a przymiotnikami kwaśny/obojętny/zasadowy będą różne w temperaturach innych niż 25 °C. Na przykład molowość hydroniowa czystej wody w temperaturze 80°C wynosi 4,9 × 10⁻⁷ M, co odpowiada wartościom pH i pOH:

W tej temperaturze roztwory obojętne wykazują pH = pOH = 6,31, roztwory kwaśne wykazują pH mniejsze niż 6,31 i pOH większe niż 6,31, podczas gdy roztwory zasadowe wykazują pH większe niż 6,31 i pOH mniejsze niż 6,31. Rozróżnienie to może być ważne przy badaniu pewnych procesów zachodzących w innych temperaturach, takich jak reakcje enzymatyczne w organizmach stałocieplnych w temperaturze około 36 – 40 °C. O ile nie zaznaczono inaczej, przyjmuje się, że odniesienia do wartości pH są wartościami 25 °C.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 14.2: pH i pOH.