Woda jest substancją niezbędną do życia i jest uznawana za najpopularniejszy rozpuszczalnik na Ziemi. Cząsteczka wody jest dipolemdipoldipolem i posiada zdolność do oddziaływania na substancje o wiązaniach polarnych lub jonowych (np. sole, wodorotlenki). Efektem tego oddziaływania jest ich rozpad na jony. Proces ten nazwany został przez Arheniusa [czyt. arenjusa] dysocjacją elektrolityczną (lub dysocjacją jonową), a związki które ulegają temu procesowi to elektrolityelektrolitelektrolity.

R1FM1JeQIn7wD

Ilustracja przedstawia rozkład ładunku w cząsteczce wody. Model czaszowy. Atom tlenu w cząsteczce wody jest naładowany ujemnie - 2 sigma minus, a od strony atomów wodoru dodatnio - sigma plus. Zaznaczono wartość 0,96 angstrema - to długość łańcucha pomiędzy atomem tlenu i wodoru.

Co ciekawe, sama woda również dysocjuje w procesie zwanym autodysocjacjąautodysocjacjaautodysocjacją (lub autoprotolizą). Wówczas, podobnie jak w każdej innej reakcji chemicznej, równowaga reakcji zostaje osiągnięta w momencie, gdy stężenia zarówno substratów, jak i produktów nie wykazują dalszej tendencji do zmiany. Zgodnie z teorią Brönsteda-Lowry'ego, w czystej wodzie, na skutek jej autodysocjacji, obecne są w niewielkiej ilości jony ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ oraz ${\text{OH}}^{-}$. Proces autodysocjacji wody zachodzi w minimalnym stopniu i polega w istocie na reakcji cząsteczki wody z drugą cząsteczką wody.

W efekcie powstają jony hydroniowe (${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$) oraz hydroksylowe (${\text{OH}}^{-}$). Korzystając z drugiego równania reakcji chemicznej, można zapisać stechiometryczną stałą równowagistechiometryczna (stężeniowa) stała równowagistechiometryczną stałą równowagi wody w postaci równania:

Woda jest bardzo słabym elektrolitem i dysocjuje w nieznacznym stopniu. Zatem możemy zapisać, że stężenie wody jest wielkością stałą:

Iloczyn jonowy wody oznaczono symbolem $K_{\mathrm{w}}$:

W stanie równowagi (w temperaturze $25°\mathrm{C}$) iloczyn stężeń jonów ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ oraz ${\text{OH}}^{-}$ jest stały i wynosi:

Co istotne, iloczyn jonowy wody zależy od temperatury.

R9FWXgifmmPeJ

Wykres zależności iloczynu jonowego wody ${\mathrm{K}}_{\mathrm{w}}$ (oś Y) od temperatury (oś X). Iloczyn jonowy wody wynosi 10 do potęgi -14 mola na decymetr sześcienny. Temperaturę podano w stopniach Celsjusza. Iloczyn jonowy wody rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Na osi Y są wartości od zera do 60, na osi X od zera do 100. Krzywa jest rosnąca. W temperaturze 20 stopni Celsjusza iloczyn jonowy wody wynosi nieco powyżej 0 mnożone przez 10 do potęgi -14 mola na decymetr sześcienny. W temperaturze 40 stopni Celsjusza wynosi 3 mnożone przez 10 do potęgi -14 mola na decymetr sześcienny. W temperaturze 60 stopni Celsjusza iloczyn jonowy wody wynosi 10 mnożone przez 10 do potęgi -14 mola na decymetr sześcienny. W temperaturze 80 stopni Celsjusza iloczyn jonowy wody wynosi 25 mnożone przez 10 do potęgi -14 mola na decymetr sześcienny. W temperaturze 100 stopni Celsjusza iloczyn jonowy wody wynosi 52 mnożone przez 10 do potęgi -14 mola na decymetr sześcienny.

Gdy stężenia jonów ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ oraz ${\text{OH}}^{-}$ w stanie równowagi są sobie równe, mówimy wówczas o roztworze obojętnym. Stężenia wynoszą:

Stężenie jonów ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ ma duże znaczenie jako wskaźnik kwasowości lub zasadowości roztworu. Z uwagi na niewielkie wartości stężeń molowych, dla wygody wprowadzono wykładnik stężenia jonów wodorowych, oznaczony jako pH. Operatorem, który określa obliczenie ujemnego logarytmu dziesiętnego, jest litera p. Z punktu widzenia matematyki, pH określane jest jako ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia jonów ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$:

Logarytm dziesiętny

Logarytm dziesiętny

Według definicji, logarytm dziesiętny z liczby a to wykładnik potęgi, do której należy podnieść liczbę 10, tak aby otrzymać liczbę a.

R13kPXTL7fnzm

Wykres funkcji logarytmu dziesiętnego. Na osi Y jest ${\log }_{10}a$, na osi X jest a. Na osi Y są wartości od 0 do 2,5, a osi X od 0 do 100. Krzywa logarytmu dziesiętnego rośnie wraz ze wzrostem argumentu funkcji, czyli a. Dla mniejszych wartości wartości wzrost jest gwałtowniejszy, a dla większych wartości jest wolniejszy.

Stąd otrzymujemy:

$${\log }_{10}a=y, \mathrm{tzn}: {10}^y=a$$

$${\log }_{10}1000=3, \mathrm{bo} {10}^3=1000$$

Dla logarytmu dziesiętnego w zapisie można pominąć podstawę logarytmu $10$.

• skoro: $\mathrm{pH}$ = -log[${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$]  ⇒  $-\mathrm{pH}$ = log[${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$] ⇒ [${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$] = ${10}^{-\mathrm{pH}}$

• gdy: $\mathrm{pH}$ = 3, to [${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$] = ${10}^{-3}$

W roztworze obojętnym, gdy [${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$] = ${10}^{-7}$, mówimy, że $\mathrm{pH}$ roztworu wynosi 7. W podobny sposób można określić wartość $\mathrm{pOH}$.

Uwzględniając wzory na $\mathrm{pH}$ oraz na $\mathrm{pOH}$, otrzymujemy postać wykładniczą równania na iloczyn jonowy wody $K_w$:

Zależność między $\mathrm{pH}$ oraz $\mathrm{pOH}$ przedstawia poniższa ilustracja, z której wynika, że w miarę wzrostu $\mathrm{pH}$, $\mathrm{pOH}$ musi się zmniejszać, tak, aby spełnione było równanie:

Ze stężeniem jonów hydroniowych związane jest bezpośrednie pojęcie odczynu, który charakteryzuje roztwory wodne. Środowiska wodne mogą posiadać odczyn kwasowy, obojętny i zasadowy. Zakres pH, który obejmuje dany odczyn, przedstawiono na rysunku poniżej.

RnURP55vLGZbW

Na ilustracji jest skala pH oraz przykłady produktów o różnym pH. Po lewej stronie wartości oraz kolory odczynów. Odczyn obojętny wynosi 7, 8. Od siedmiu do zera wzrasta kwasowość. OD dziewięciu do czternastu wzrasta zasadowość. Przykłady: kwas akumulatorowy 0, ocet 2, oranżada pomiędzy 2,5 a 3,5, kawa 5 , krew 7,4, woda morska 8, soda kuchenna 9,5, roztwór amoniaku od 10,5 do 11,5, wybielacz 13,5, udrażniacz rur 14.

Jak wynika z powyższej ilustracji, pojęcie pH w istotny sposób uprościło zapis potęgowy stężeń roztworów o wysokim rozcieńczeniu. 

Stężenie jonów ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ ma duże znaczenie jako wskaźnik kwasowości lub zasadowości roztworu. Z uwagi na niewielkie wartości stężeń molowych, dla wygody wprowadzono wykładnik stężenia jonów wodorowych, oznaczony jako pH. Operatorem, który określa obliczenie ujemnego logarytmu dziesiętnego, jest litera p.