In de context van water (H2O) zijn waterstofionen (H+) niet aanwezig als het in zuivere vorm is. Water zelf ondergaat een proces dat auto-ionisatie wordt genoemd , waarbij een klein deel van de watermoleculen dissocieert in H+ en hydroxide (OH-) ionen. Deze ionen bestaan ​​echter in gelijke concentraties, waardoor de algehele lading neutraal blijft. Daarom heeft zuiver water een pH van 7.

De reden voor de aanwezigheid van zowel H+ als OH-ionen in zuiver water ligt in de polariteit van het watermolecuul. Vanwege het verschil in elektronegativiteit tussen zuurstof en waterstof trekt het zuurstofatoom lichtjes elektronen naar zich toe, waardoor een lichte negatieve lading ontstaat aan de zuurstofkant en een lichte positieve lading aan de waterstofkant van het molecuul. Hierdoor kunnen andere watermoleculen interageren met deze gedeeltelijk geladen gebieden, wat leidt tot de incidentele overdracht van waterstofionen (protonen) van het ene watermolecuul naar het andere.

Hoewel de concentratie van deze ionen in zuiver water erg laag is (ongeveer 1 x 10^-7 mol per liter), is het dit evenwicht tussen H+- en OH--ionen dat de pH van water en de zure of basische aard ervan bepaalt. Afwijkingen van dit evenwicht, waarbij de concentratie van H+-ionen toe- of afneemt, resulteren respectievelijk in zure of basische oplossingen.