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水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的极性分子。氧原子的电负性较强，使得氧原子带部分负电荷，氢原子带部分正电荷。水分子的键角约为104.5度。由于这种极性结构，水分子具有两性性质，既可以作为质子给体表现为酸性，也可以作为质子受体表现为碱性。这种特殊的性质为水的电离反应奠定了基础。
水的电离是指水分子之间发生的自电离反应。在这个过程中，一个水分子作为质子给体失去一个氢离子，变成氢氧根离子；另一个水分子作为质子受体接受这个氢离子，形成水合氢离子。反应方程式为：H2O + H2O 可逆反应生成 H3O+ 和 OH-。这是一个动态平衡过程，正反应和逆反应同时进行。
水的离子积常数Kw是一个重要的物理化学常数，定义为氢离子浓度和氢氧根离子浓度的乘积。在25摄氏度时，Kw等于1.0乘以10的负14次方。由于水的浓度在稀溶液中基本保持不变，所以不包含在表达式中。在纯水中，氢离子浓度等于氢氧根离子浓度，都等于1.0乘以10的负7次方摩尔每升。Kw的数值只与温度有关，温度升高时Kw增大。
温度是影响水电离平衡的重要因素。水的电离反应是吸热反应，焓变大于零。根据勒夏特列原理，当温度升高时，平衡会向吸热方向移动，即向右移动，使得氢离子和氢氧根离子的浓度都增加，因此Kw值增大。从图表可以看出，随着温度从0摄氏度升高到100摄氏度，Kw值从1.14乘以10的负15次方增加到510乘以10的负15次方。例如在60摄氏度时，Kw等于9.6乘以10的负14次方，比25摄氏度时大约增加了10倍。
溶液的酸碱性由氢离子和氢氧根离子浓度的相对大小决定。当氢离子浓度大于氢氧根离子浓度时，溶液呈酸性；当两者浓度相等时，溶液呈中性；当氢离子浓度小于氢氧根离子浓度时，溶液呈碱性。从柱状图可以看出，酸性溶液中氢离子浓度高，碱性溶液中氢氧根离子浓度高。但无论在任何情况下，都必须满足水的离子积常数关系：Kw等于氢离子浓度乘以氢氧根离子浓度，在25摄氏度时恒等于1.0乘以10的负14次方。