Mengenal Struktur Molekul Air, Ikatan Air, Disosiasi Air, Serta Perubahan Kimia dan Fisika Air

Struktur Molekul Air

Air murni tersusun oleh bagian terbesar berupa H2O dengan berbagai isotop oksigen yang berbeda sebagian besar memiliki isotop ¹⁶O sebagian kecil antara lain ¹⁷O dan ¹⁸O. Atom hidrogen (H) berikatan dengan atom oksigen (O) melalui pasangan elektron-elektron secara kovalen dalam molekul air/ struktur tiga dimensi dari molekul air memiliki bentuk tetrahedron. Kedua atom H tersebut membentuk sudut 104.5^o. Pada sisi atom O yang berhadapan dengan atom H memiliki elektronegatif yang berbeda, sehingga pada atom O akan terbentuk muatan parsial negatif karena elektronegatif atom O lebih besar dari atom H. Akibat selanjutnya pada sisi atom H yang terbuka akan membentuk muatan parsial positif. Sehingga molekul air bersifat dipole (Gambar a)

Ikatan Air

Sifat dwikutub dari molekul air akan mendorong molekul air sehingga berikatan satu sama lain. Pengikatan antar molekul air melalui ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen antar molekul air ini sangat lemah dibandingkan ikatan kovalen antara hidrogen dan oksigen dalam molekul air. Meskipun demikian hal tersebut penting, karena akan memberi sifat mengalir pada air. Ikatan hidrogen antara air dengan senyawa berkutub oksigen atau ber gugus hidroksil ini akan membentuk hidrat. Ikatan antar molekul air seperti pada (Gambar b).

Disosiasi Air

Konstanta disosiasi adalah kecenderungan asam dan basa lemah untuk terionisasi. Ionisasi air akan menghasilkan ion H dan ion OH.

H₂O → H + OH

Ion yang terbentuk akan segera bergabung kembali membentuk molekul dan sebaliknya. Artinya suatu saat ia (hidrogen atau oksigen) adalah sebagai ion dan di saat lain ia (hidrogen atau oksigen) sebagai bagian molekul. Kemungkinan atau peluang hidrogen sebagai ion adalah 1,8 x 10⁹ atau 1,8 perbiliun kejadian. Sehingga kemungkinan hidrogen sebagai ion sangat kecil sekali, oleh karena itu hidrogen hampir selalu berada sebagai bagian dari molekul (Harned & Owen, 1958). Artinya pada setiap saat terdapat satu ion hidrogen dan satu ion hidroksil dalam 1,8 x 10⁹ molekul air. Kecenderungan air untuk berdisosiasi dirumuskan sebagai berikut,

K   = [H⁺] [OH⁻]/[H2O]

Keterangan:

[H] = konsentrasi ion H aktif

[OH] = konsentrasi ion OH aktif

[H₂O] = konsentrasi molekul H2O yang tidak berdisosiasi

K = konstanta disosiasi

Bentuk Air

Dalam bahan pangan baik hewani maupun nabati banyak mengandung air, kecuali beberapa bahan kristal hanya mengandung sedikit air misalnya gula dan garam dimana airnya hanya terabsorbsi pada permukaan kristal. Pada sayuran hijau mengandung 90% air atau bahkan lebih. Di dalam tanaman dan hewan, air terdapat diantara sel sebagai cairan interseluler dan air sel yang berada di dalam sel. Air di dalam bahan pangan terdapat dalam berbagai bentuk antara lain:

1. Sebagai air bebas yang terlarut atau terdispersi (contoh: cairan sitoplasma, cairan intraseluler, cairan dalam jaringan).
2. Sebagai hidrat (contoh: dalam pati, protein, dan senyawa-senyawa garam organik).
3. Sebagai air yang terimbibisi dalam sel (contoh: pada bahan pangan berdaya serap air tinggi, kemudian terjadi swelling misalnya agar-agar).
4. Terabsorbsi pada permukaan zat padat (contoh: pada permukaan partikel padat atau kristal).

Air mempunyai karakteristik yang unik, karena mampu berada dalam berbagai bentuk. Molekul-molekul air dapat berada dalam bentuk kristal atau es, dalam bentuk cair atau air, dan dalam bentuk gas yaitu berupa uap air.

Perubahan Kimia dan Fisika Air

Perubahan pada molekul air dikelompokkan menjadi dua kelompok yaitu perubahan kimia dan perubahan fisika. Perubahan kimia air contoh nya hidrolisis sukrosa di dalam perut dan hidrolisis trigliserida di dalam intestinal atau usus (Li & McClements, 2011). Perubahan fisika pada air antara lain titik cair dan titik didih. Air mempunyai sifat fisik yang unik dibandingkan dengan senyawa lain. Air mempunyai titik cair paling tinggi yaitu 0C dan titik didih juga paling tinggi yaitu 100C. akibatnya air akan berada pada fase cair dalam berbagai macam suhu lihat (gambar Diagram Fasa air).

Pada suhu tertentu terjadi penyimpangan yang disebut anomali dari sifat fisika air. Anomali tersebut adalah apabila suhu air diturunkan sampai 4C, maka air akan melepaskan panasnya. Akibatnya gerakan molekul air makin lambat dan volumenya makin kecil. Bila suhu diturunkan dari 4C sampai 0C, panas dilepaskan lagi sehingga air menjadi es. Setelah suhunya mencapai 0C akan terjadi kristal dan saat ini volumenya mendadak mengembang kurang lebih 110%-nya. Mengembangnya volume ini karena antar molekul air tersusun dalam bentuk heksagonal simetris, sehingga terbentuk ruangan-ruangan dalam kristal es berupa saluran-saluran dalam jumlah sangat banyak, oleh karena itu volumenya mengembang. Gambar bentuk ikatan antar molekul air dalam kristal es seperti disajikan pada (Gambar (a) struktur molekul air, (b) struktur molekul kristal es)