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pH指示薬は、溶液に少量添加されるハロクロミック化学化合物であり、吸収特性および/または発光特性の変化によって、溶液のpH（酸性度または塩基性度）を視覚的または分光的に決定することができます。[ 1 ]したがって、pH指示薬は、アレニウスモデルにおけるヒドロニウムイオン（H3O +）または水素イオン（H + ）の化学検出器です。
通常、指示薬はpHに応じて溶液の色を変化させます。指示薬は他の物理的性質の変化も示すことができます。たとえば、嗅覚指示薬は臭いの変化を示します。中性溶液のpH値は25 ℃（標準的な実験室条件）で7.0です。pH値が7.0未満の溶液は酸性、pH値が7.0を超える溶液は塩基性です。ほとんどの天然有機化合物はカルボン酸やアミンなどの弱電解質であるため、pH指示薬は生物学や分析化学で多くの用途があります。さらに、pH指示薬は化学分析で使用される3つの主要なタイプの指示薬化合物の1つを形成します。金属カチオンの定量分析には錯滴定指示薬の使用が好まれますが[ 2 ] [ 3 ]、3番目の化合物クラスである酸化還元指示薬は酸化還元滴定（化学分析の基礎として1つ以上の酸化還元反応を含む滴定）で使用されます。
pH指示薬自体は、通常、弱酸または弱塩基である。水溶液中における酸性pH指示薬の一般的な反応式は、次のように表すことができる。
ここで、「HInd」は指示薬の酸性形態、「Ind −」は指示薬の共役塩基である。
水溶液中の塩基性pH指示薬の場合も同様です。
ここで、「IndOH」は指示薬の基本形を、「Ind +」は指示薬の共役酸を表します。
共役酸／塩基の濃度と酸性／塩基性指示薬の濃度の比によって溶液のpH（またはpOH）が決定され、色とpH（またはpOH）値が関連付けられます。弱電解質であるpH指示薬の場合、ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式は次のように表すことができます。
酸解離定数と塩基解離定数から導き出された式によれば、pHが指示薬のpKaまたはpKa値に等しい場合、両方の化学種が1：1の比率で存在します。pHがpKaまたはpKa値より高い場合、共役塩基の濃度が酸の濃度よりも高くなり、共役塩基に関連する色が優勢になります。pHがpKaまたはpKa値より低い場合は、その逆になります。
通常、p K aまたは p K b の値で色の変化が瞬時に起こるわけではなく、色が混在する pH 範囲が存在します。この pH 範囲は指示薬によって異なりますが、経験則として、p K aまたは p K b の値のプラスマイナス 1 の範囲内になります。これは、他の物質が少なくとも 10% 残っている限り、溶液の色は維持されるという前提に基づいています。たとえば、共役塩基の濃度が酸の濃度の 10 倍である場合、その比率は 10:1 となり、結果として pH は p K a + 1 または p K b + 1 となります。逆に、塩基に対して酸が 10 倍過剰に存在する場合、比率は 1:10 となり、pH は p K a − 1 または p K b − 1 となります 。
精度を最大限に高めるには、2種類の物質間の色の違いが可能な限り明確である必要があり、色の変化が生じるpH範囲が狭いほど良い。フェノールフタレインなどの指示薬では、一方の物質が無色であるのに対し、メチルレッドなどの指示薬では、両方の物質が色を呈する。pH指示薬は指定されたpH範囲では効率的に機能するが、通常、pHスケールの両端では望ましくない副反応により機能しなくなる。
pH指示薬は、分析化学や生物学における滴定で化学反応の進行度を決定するためによく用いられます。[ 1 ]色の主観的な選択（決定）のため、pH指示薬は不正確な読み取りの影響を受けやすいです。pHの正確な測定が必要な用途では、pHメーターやリトマス試験紙がよく使用されます。場合によっては、さまざまな指示薬を混合して、広いpH範囲で滑らかな色の変化を実現することもあります。これらの市販の指示薬（例えば、万能指示薬やハイドリオン紙）は、pHのおおよその知識だけでよい場合に使用されます。滴定の場合、真の終点と指示された終点の差は指示薬誤差と呼ばれます。[ 1 ]
以下に、一般的な実験室用pH指示薬をいくつか表に示します。指示薬は通常、記載されている変化範囲内のpH値で中間色を示します。例えば、フェノールレッドはpH 6.8～8.4の間でオレンジ色を示します。変化範囲は、溶液中の指示薬の濃度や使用温度によって若干変化する場合があります。右の図は、指示薬の動作範囲と色の変化を示しています。
指示薬を用いることで、2つ以上の波長における吸光度を定量的に測定することにより、pHを非常に正確に測定することができる。この原理は、指示薬をH +とA−に解離する単純な酸HAと仮定することで説明できる。
酸解離定数pKaの値は既知でなければならない。波長 λx と λy におけるHAとA−のモル吸光係数 εHA と εA−も、以前の実験で決定しておかなければならない。ベールの法則が成り立つと仮定すると、2つの波長で測定された吸光係数AxとAyは、各成分による吸光係数の合計となる。
これらは、2つの濃度[HA]と[A − ]に関する2つの方程式です。解くと、pHは次のように得られます。
2つ以上の波長で測定を行う場合、[HA]と[A−]の濃度は線形最小二乗法で計算できます。実際には、この目的のためにスペクトル全体を使用することもできます。このプロセスは、指示薬であるブロモクレゾールグリーンで説明されています。観測されたスペクトル（緑色）は、HA（金色）とA− （青色）のスペクトルを、2つの種の濃度で重み付けして合計したものです。
単一の指示薬を用いる場合、この方法はpH範囲pKa±1での測定に限定されますが、 2 種類以上の指示薬を混合して用いることで、この範囲を拡張できます。指示薬は強い吸収スペクトルを持つため、指示薬の濃度は比較的低く、指示薬自体がpHに与える影響は無視できる程度であると考えられます。
酸塩基滴定では、不適切なpH指示薬を使用すると、実際の当量点の前後で指示薬を含む溶液の色変化が生じる可能性があります。その結果、使用するpH指示薬によって、溶液の当量点が異なると結論付けられることがあります。これは、指示薬を含む溶液のわずかな色変化でも当量点に達したことを示唆するためです。したがって、最も適切なpH指示薬は、滴定対象溶液の当量点のpHを包含する、色変化が顕著に現れる有効なpH範囲を持つ必要があります。[ 5 ]
多くの植物や植物の部位には、天然の色素であるアントシアニン系の化合物が含まれています。これらは酸性溶液では赤色、アルカリ性溶液では青色を呈します。アントシアニンは、葉（赤キャベツ）、花（ゼラニウム、ポピー、バラの花びら）、ベリー類（ブルーベリー、ブラックカラント）、茎（ルバーブ）など、様々な色の植物や植物の部位から水やその他の溶媒を用いて抽出できます。家庭の植物、特に赤キャベツからアントシアニンを抽出して粗製のpH指示薬を作る実験は、入門的な化学実験としてよく行われています。
中世の錬金術師が用い、現在でも容易に入手できるリトマスは、地衣類、特にロセラ・ティンクトリア（Roccella tinctoria ）の混合物から作られる天然のpH指示薬です。リトマスという言葉は、古ノルド語で「色のついた苔」を意味する言葉に由来します（Litrを参照）。酸性溶液では赤色、アルカリ性溶液では青色に変化します。「リトマス試験」という用語は、複数の選択肢を権威的に区別しようとするあらゆる試験の比喩として広く使われるようになりました。
アジサイ（Hydrangea macrophylla）の花の色は、土壌の酸性度によって変化します。酸性土壌では、土壌中で化学反応が起こり、植物がアルミニウムを吸収できるようになるため、花は青色に変化します。一方、アルカリ性土壌では、これらの反応は起こらないため、植物はアルミニウムを吸収しません。その結果、花はピンク色のままです。
もう一つの天然のpH指示薬は、スパイスのウコンです。ウコンは酸性物質に触れると黄色に、アルカリ性物質に触れると赤褐色に変化します。
ウィキメディア・コモンズにあるpH指示薬関連のメディア![{\displaystyle {\begin{aligned}A_{x}&=[{\mathrm {HA} }]\varepsilon _{\mathrm {HA} }^{x}+[{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}]\varepsilon _{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}^{x}\\A_{y}&=[{\mathrm {HA} }]\varepsilon _{\mathrm {HA} }^{y}+[{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}]\varepsilon _{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}^{y}\end{整列}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/407bba3b954782cbec25c32d99393bf282c2c36d)
![{\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} }+\log {\frac {[{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}]}{[{\mathrm {HA} }]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2ed476e8f78a1980748a81ec195978b60032411f)