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水素イオンは、水素原子が電子を失ったり得たりしたときに生成されるイオンです。正に帯電した水素イオン（または陽子）は他の粒子と容易に結合するため、気体状態またはほぼ粒子のない空間にある場合にのみ単独で観測されます。[ 1 ]約 の極めて高い電荷密度のため水素イオンはナトリウムイオンの2 × 10 10倍の電荷を持つため、溶液中で自由に存在することはできず、すぐに水和、つまり結合します。 [ 2 ]水素イオンは、IUPACによって、水素とその同位体のすべてのイオンの一般用語として推奨されています。[ 3 ]イオンの電荷に応じて、正に帯電したイオン (ハイドロン) と負に帯電した (水素化物) イオンの 2 つの異なるクラスを区別できます。
水素原子は、電荷が+1の原子核と1個の電子から構成されています。したがって、正電荷を持つイオンは+1の電荷を持つもののみであり、H +と表記されます。
対象となる同位体によって、水素陽イオンの名称は異なります。
さらに、これらの陽イオンと水およびその水和物との反応によって生成されるイオンは、水素イオンと呼ばれます。
グロトフス機構によれば、ツンデル陽イオンとアイゲン陽イオンはプロトン拡散において重要な役割を果たす。
酸に関連して、「水素イオン」は通常、ヒドロンを指す。
左の画像では、水素原子（中央）は陽子1個と電子1個を含んでいます。電子を取り除くと陽イオン（左）になり、電子を加えると陰イオン（右）になります。2個の電子雲がゆるく結合している水素陰イオンは、中性原子よりも半径が大きく、中性原子は陽イオンの裸の陽子よりもはるかに大きいです。水素は電子を持たない唯一の陽イオンですが、水素とは異なり1個以上の電子を保持する陽イオンでさえ、それらが由来する中性原子や分子よりも小さくなります。
水素アニオンは、追加の電子が獲得されたときに形成される。
光合成では、水素イオンがATP合成酵素を駆動します。これは、水素イオンが膜を横切って押し出され、チラコイド膜内部に高濃度、細胞質に低濃度が生じることで起こります。しかし、浸透圧によって、H +はATP合成酵素を通って膜から押し出されます。プロトンは脱出する際に運動エネルギーを利用してATP合成酵素を回転させ、ATPを生成します。これは細胞呼吸でも起こりますが、その場合、濃縮された膜はミトコンドリアの内膜になります。
pHとして測定される水素イオン濃度も、化合物の酸性または塩基性の性質を決定する要因の一つです。水分子は分解してH +イオンと水酸化物アニオンを生成します。この過程は水の自己イオン化と呼ばれます。
水素イオン濃度とpHは反比例の関係にあります。水溶液中では、水素イオン濃度が高くなるとpHが低くなり、結果として酸性になります。定義によれば、酸とはプロトンを供与できるイオンまたは分子であり、溶液に加えると水分子（H₂O）と反応してヒドロニウムイオン（H₃O⁺）、つまり水の共役酸を形成します。 [ 4 ]簡単に言うと、水素イオン（H⁺ ）はヒドロニウムイオンの略称としてよく使われます。
海洋酸性化は、世界の海洋による二酸化炭素（CO 2 ）の大幅な吸収による水素イオン濃度と炭酸塩飽和度の上昇の直接的な結果である。 [ 5 ]産業革命以前の海洋の炭酸塩化学の状態は、pH のバランスを含め、著しく安定していた。[ 6 ]産業革命以降、化石燃料の燃焼、セメント生産、土地利用の変化による人為的な排出により、海洋による大気からの二酸化炭素の吸収が 30% 増加した。[ 7 ]海洋におけるこの温室効果ガスの吸収能力は、大気中の 59 倍である。[ 8 ]海洋は地球上で最大の炭素吸収源として機能し、気候調節において重要な役割を果たしている。 [ 9 ]炭素フラックスに加えて、大気から深海への炭素隔離の自然プロセスは、生物ポンプと溶解ポンプの 2 つのシステムによって促進される。溶解ポンプは、大気と海の界面でCO2を輸送する物理化学的プロセスです。[ 10 ]ヘンリーの法則に基づくと、水溶液中の溶解CO2の量は、大気中のCO2の分圧に正比例します。 [ 11 ]平衡を維持するために、大気中のCO2の分圧が高い状態は、分子拡散によるこのガスの海洋交換の増加につながります。
表層水では、溶解した大気中の二酸化炭素（CO₂ (aq)）が水分子と反応して炭酸（H₂CO₃）という弱い二塩基酸を形成します。二塩基酸は、各分子に2つのイオン化可能な水素原子から構成されています。水溶液中では、炭酸の部分解離により水素プロトン（H⁺）と重炭酸イオン（HCO₃⁻）が放出され、その後、重炭酸イオンがさらに水素プロトンと炭酸イオン（CO₂⁻ ）に解離します。[ 4 ]これらの無機炭素種の溶解と解離により、水素イオン濃度が増加し、逆に周囲の表層海洋のpHが低下します。炭酸緩衝系は、溶解した無機炭素種を化学平衡状態に保つことで、海水の酸性度を制御しています。
化学式は、どちらの方向にも反応する可能性のある反応物と生成物から構成されます。システムに反応物を追加すると、生成物の生成量が増加し（化学反応は右にシフトします）、生成物を追加すると、追加の反応物が生成され、化学反応は左にシフトします。したがって、このモデルでは、開始反応物である二酸化炭素の濃度が高いと、最終生成物（H +とCO 2− 3）の量が増加し、pH が低下してより酸性の溶液が生成されます。海洋の自然緩衝システムは、遊離酸プロトンが炭酸イオンと反応してアルカリ性を形成することによって生成される重炭酸イオンを増やすことで、pH の変化に抵抗します。[ 12 ]しかし、大気中の CO 2濃度が増加すると、緩衝能力の閾値を超え、結果として海洋酸性化の速度が高くなります。海洋の炭酸塩化学の変化は、多くの元素や化合物の海洋生物地球化学サイクルを操作する可能性があり、海洋生態系に深刻な影響を及ぼします。さらに、CO 2の溶解度は温度に依存します。表面水温の上昇はCO2の溶解度を低下させる。大気中のCO2分圧の継続的な上昇は、海洋が吸収源（炭素を海洋深部へ垂直輸送する）から排出源（海洋からCO2が放出される）へと変化する可能性があり、地球温暖化をさらに加速させる可能性がある。 [ 13 ]