Reakcja między kwasem Brønsteda-Lowry’ego a wodą nazywa się jonizacją kwasową. Na przykład, gdy fluorowodór rozpuszcza się w wodzie i jonizuje, protony są przenoszone z cząsteczek fluorowodoru do cząsteczek wody, dając jony hydroniowe i jony fluorkowe:

Jonizacja zasady gatunku zachodzi, gdy przyjmuje on protony z cząsteczek wody. W poniższym przykładzie cząsteczki pirydyny, C₅NH₅, ulegają jonizacji zasady po rozpuszczeniu w wodzie, dając jony wodorotlenku i pirydyny:

Poprzednie reakcje jonizacji sugerują, że woda może funkcjonować zarówno jako zasada (jak w reakcji z fluorowodorem), jak i kwas (jak w reakcji z amoniakiem). Gatunki zdolne do oddawania lub przyjmowania protonów nazywane są amfiprotyczne lub bardziej ogólnie amfoteryczne, termin, który może być używany dla kwasów i zasad zgodnie z definicjami innymi niż Brønsted-Lowry. Poniższe równania pokazują dwie możliwe reakcje kwasowo-zasadowe dla dwóch gatunków amfiprotycznych, jonów wodorowęglanowych i wody:

Pierwsze równanie przedstawia reakcję wodorowęglanu jako kwasu z wodą jako zasadą, podczas gdy drugie reprezentuje reakcję wodorowęglanu jako zasady z wodą jako kwasem. Gdy wodorowęglan jest dodawany do wody, obie te równowagi są ustalane jednocześnie, a skład otrzymanego roztworu można określić za pomocą odpowiednich obliczeń równowagi. W stanie ciekłym cząsteczki substancji amfiprotycznej mogą reagować ze sobą, jak pokazano dla wody w poniższych równaniach:

Proces, w którym podobne cząsteczki reagują na jony uzyskujące, nazywa się autojonizacją. Woda w stanie ciekłym ulega autojonizacji w bardzo niewielkim stopniu; w temperaturze 25 °C około dwie na miliard cząsteczek wody są zjonizowane. Zakres procesu autojonizacji wody znajduje odzwierciedlenie w wartości jej stałej równowagi, stałej jonowo-produktowej dla wody, K_W:

Niewielka jonizacja czystej wody znajduje odzwierciedlenie w małej wartości stałej równowagi; w temperaturze 25 °C K_W ma wartość 1,0 × 10⁻¹⁴.

Proces jest endotermiczny, a więc stopień jonizacji i wynikające z tego stężenia jonów hydroniowych i wodorotlenkowych rosną wraz z temperaturą. Na przykład w temperaturze 100 °C wartość K_W wynosi około 5,6 × 10⁻¹³, czyli około 50 razy więcej niż wartość w temperaturze 25 °C.

Autojonizacja wody daje taką samą liczbę jonów hydroniowych i wodorotlenkowych. Dlatego w czystej wodzie o temperaturze 25 °C:

Stężenia tych jonów w roztworze są często krytycznymi determinantami właściwości roztworu i zachowań chemicznych innych jego substancji rozpuszczonych, a w celu opisania tych stężeń w kategoriach względnych opracowano specjalne słownictwo. Roztwór jest obojętny, jeśli zawiera równe stężenia jonów hydroniowych i wodorotlenkowych; kwaśny, jeśli zawiera większe stężenie jonów hydroniowych niż jony wodorotlenkowe; i zasadowy, jeśli zawiera mniejsze stężenie jonów hydroniowych niż jony wodorotlenkowe.

Podsumowanie relacji dla roztworów kwaśnych, zasadowych i neutralnych

Klasyfikacja	Względne stężenia jonów	pH w temperaturze 25 °C
kwaśny	[H₃O⁺] > [OH⁻]	pH < 7
neutralny	[H₃O⁺] = [OH⁻]	pH = 7
podstawowy	[H₃O⁺] < [OH⁻]	pH > 7