W porównaniu z innymi cieczami, woda i roztwory wodne mają unikatowe właściwości fizykochemiczne, termodynamiczne i transportowe, które istotnie zależą od temperatury i ciśnienia. Dobrze znanymi anomaliami czystej wody są: ujemna objętość topnienia, maksymalna gęstość w 4ºC, minimalna ściśliwość izotermiczna w 46ºC, bardzo duże ciepło topnienia i wrzenia oraz wysoka temperatura krytyczna, duże ciepło parowania, duża pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu, duża stała dielektryczna i lepkość malejąca ze wzrostem ciśnienia (Sikorski WN-T).

Tabela 1. Wartości poszczególnych parametrów wody według Sikorskiego WN-T

Właściwość wody jak i właściwości roztworów wodnych zależne są w przeważającej mierze od jej struktury. W wyniku reakcji wodoru z tlenem atom tlenu posiadający sześć zewnętrznych elektronów ulega połączeniu z dwoma atomami wodoru, z których każdy składa się z protonu oraz elektrony. Tlen uzupełnia w ten sposób liczbę zewnętrznych elektronów do ośmiu, tworząc stabilny układ oktetu. Szczególnie istotny jest fakt, ze cząsteczka wody zbudowana jest w sposób niesymetryczny, przez co ładunki elektryczne również są rozłożone niesymetrycznie.

Atom tlenu wykazuje zdolność do przyciągania elektronów odciągając je od protonu, przez co tlen staje się lekko elektroujemny a wodory lekko elektrododatnie. Cząsteczka wody jest dipolem. Moment dipolowy cząsteczki wody jest równy 1,84 debaja (jednostek Debye`a).

Moment dipolowy stanowi podstawę do podziału rozpuszczalników na

• polarne: woda, alkohole, aceton. W rozpuszczalnikach polarnych dobrze rozpuszczają się związki jonowe.
• niepolarne (benzen, czterochlorek węgla), w którym lepiej rozpuszczają się związki organiczne

Cząsteczka wody zawiera dwie pary elektronów, które wykazują zdolność do wiązania innych cząsteczek wody w tan sposób, że tworzy się wiązanie między tlenem jednej cząsteczki wody a wodorem drugiej. Powstałe w ten sposób wiązanie nosi nazwę wiązania wodorowego lub mostku wodorowego.

Wiązanie wodorowe powstaje w wyniku przyciągania elektrostatycznego przeciągania pomiędzy słabo elektroujemnym atomem tlenu a słabo elektrododatnim atomem wodoru

Cząsteczki wody cechują się dużą skłonnością tworzenia wiązań wodorowych. Dzięki temu w wodzie wytwarza się przestrzenna siatka wiązań wodorowych, która rozciągnięta jest na cały obszar cieczy.

Wiązania wodorowe charakteryzują się zdolnością do wiązania wody z innymi związkami posiadającymi atomy z odpowiednią elektroujemnością. Elektroujemny azot ma zdolność do przyciągania elektrododatniego wodoru cząsteczki wody i tym sposobem wiąże je z układem, w którym występuje. Wiązania wodorowe znajdują się w różnych związkach biologicznie aktywnych, jak: białka, wielocukry.

Biegunowy charakter cząsteczek wody i związana z tym zdolność tworzenia wiązań wodorowych nadaje wodzie właściwości bardzo dobrego rozpuszczalnika. Woda cechuje wiś zdolnością do rozpuszczania wielu związków zarówno organicznych jak i nieorganicznych. Związki organiczne rozpuszczające się w wodzie to:

• kwasy organiczne
• alkohole
• aminy

Woda jest doskonałym rozpuszczalnikiem większości związków jonowych a także cechuje się wysoką zdolnością do zobojętniania zewnętrznych pól elektrycznych. Zdolność do rozpuszczania związków jonowych wiąże się z polarną budową cząsteczek wody i cząsteczek tych związków.

Bardzo ważną cechą wody jest nietypowa zmiana gęstości podczas zamarzania. Woda w temperaturze 3,98°C ma maksymalną gęstość – 1000 g/cm³; dalsze obniżanie temperatury, powoduje spadek gęstości, osiągający w 0°C wartość 0,9998 g.cm³. przejście wody w stan stały w temperaturze 0°C łączy się z dalszym zmniejszaniem gęstości (0,917 g.cm³). przyczyna takiego zachowania się wody jest również asocjacja jej cząsteczek.

Tabela 2. Gęstość wody w różnych temperaturach wg Brzozowskiej i Gawęckiego red.

Zmiana gęstości wody po przejściu ze stanu ciekłego w stały jest niekorzystnym zjawiskiem szczególnie dostrzegalnym podczas zamrażania żywności zawierającej większą ilość wody jak mięso, owoce oraz warzywa. Powstające w komórkach kryształy lodu powodują rozrywania komórek, wskutek czego po rozmrożeniu dochodzi do wycieku wody z tkanek, a naruszenie tkanek sprzyja reakcjom enzymatycznym, np. ciemnienie enzymatyczne, utlenianie witaminy Cm utlenianie tłuszczów.

Woda w porównaniu z innymi związkami posiada niski ciężar cząsteczkowy. Jej pojemność molowa jest stosunkowo wysoka i dlatego tez w jednostce objętości mieści się duża liczba cząsteczek wody. Dzięki małym rozmiarom, cząsteczki wody mogą z łatwością wnikać między cząsteczki innych związków i wywoływać w szeregu z nich określone zmiany.

Ciepło parowania wody jest wysokie. Jest ono bezpośrednia miara ilosci energii potrzebnej do pokonania w cieczy sił przyciągania między sasiednimi cząsteczkami, tak aby pojedyńcze cząsteczki mogły się uwolnić i przejść w stan gazowy. W celu odparowania 1 g wody w temperaturze 30°C zużywa się 539 kalorii. Wysokie ciepło zabezpiecza większość produkty przed utratą wilgoci.

Woda ze wszystkich znanych cieczy posiada najwyższe ciepło właściwe, dzięki czemu może spełniać rolę czynnika chroniącego produkty spożywcze przed gwałtownymi zmianami temperatury, regulując tym samy nasilenie przemian chemicznych. To samo dotyczy ciepła parowania. Woda wskutek dużego ciepła parowania skutecznie reguluje temperaturę ciała zwierząt i roślin. Z drugiej strony duże ciepło właściwe i ciepło parowania jest przyczyna znacznych nakładów podczas produkcji żywności suszonej.

Przewodność cieplna właściwa wody jest w porównaniu z innymi cieczami, duża (z wyjątkiem rtęci), lecz jest mała, gdy weźmie się pod uwagę przewodność cielną właściwą. Dlatego tez żywność o dużej zawartości wody można uważać za zły przewodnik ciepła. Skuteczniej i szybciej pasteryzuje się konserwy zawierające materiał rozdrobniony, niż w dużych częściach. W takim przypadku ciepło ogrzewanej zalewy przenoszone jest na drodze konwekcji i dociera do drobnych części niż do wnętrza dużych.

Woda charakteryzują się umiarkowaną lepkością. Im niższa temperatura wody tym wyższa lepkość.

Twardość to właściwość wody wynikająca z obecności rozpuszczonych w niej soli wapnia, magnezu, żelaza i glinu oraz manganu, a wiec pierwiastków, które tworzą sole na większym niż +1 stopniu utleniania. W czasie ogrzewania mogą one wytracać się tworząc tzw. kamień kotłowy, a podczas prania i mycia powstają z nich kłaczkowate osady niepieniących się mydeł. Im większe stężenia tych soli tym większe napięcie powierzchniowe, co powoduje, że woda trudniej zwilża różne powierzchnie i utrudnia jej wykorzystanie, na przykład do mycia czy prania. Im twardsza woda, tym więcej detergentów należy użyć, aby uzyskać pożądany efekt mycia. Nadmierna twardość wody jest niepożądana ze względów gospodarczych, można ją zmniejszyć przez wytrącanie chemiczne lub wymianę jonową (Brzozowska, Gawęcki red.)

Źródło: Aleksander Lempka, Marian Kasperek- Związki chemiczne produktów spożywczych. PWN. Warszawa- Poznań; Anna Brzozowska, Jan Gawęcki- Woda w żywieniu i jaj rola- Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego. Poznań; Zdzisław Sikorski i in. – Chemia żywności. PWN. Warszawa; Zdzisław E. Sikorski (red.)- Chemia żywności. Składniki żywności. WN-T. Warszawa