Процессы растворения веществ достаточно сложны и неоднозначно трактуются. Ясно, что при этом происходят структурные изменения, как с растворяемым веществом, так и структура воды претерпевает изменения. Наиболее существенные изменения происходят при растворении ионов.
Появление ионов приводит к двум взаимно противоположным изменениям структуры воды. С одной стороны, влияние поля иона нарушает упорядоченность молекул воды, с другой стороны, действие поля иона ориентирует молекулы воды и приводит к новому упорядоченному размещению их вокруг иона, причем с наибольшей силой ионы действуют на близлежащий слой воды, который достаточно прочно связывается с ионами. Получила распространение модель гидратации ионов, которая предусматривает двухслойную гидратную оболочку иона. Вокруг каждой частицы имеются три концентрические зоны. Во внутренней зоне создается довольно прочная оболочка вокруг иона. Во внешней зоне структура воды полностью сохраняется, а влияние иона приводит к некоторой дополнительной поляризации, что сопровождается увеличением дипольного момента молекул воды. Промежуточная зона испытывает влияние двух противоположных сил – ориентацию иона, ослабленную экранированием внутренней зоны, и влияние внешней зоны, нормальной воды, стремящейся сохранить свою структуру.
Координационные числа – количество молекул воды, которые находятся в первом гидратном слое, для однозарядных ионов Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, как показали экспериментальные исследования, близки к четырем.
В воде хорошо растворяются органические соединения, которые способны вступать в диполь-дипольное взаимодействие с молекулами воды или образовывать с ними водородные связи. При растворении неполярных соединений или групп происходит увеличение доли клатратов в воде. Сетка водородных связей в воде обладает способностью огибать чужие молекулы – препятствия, значит, водные растворы неполярных молекул или групп имеют строение водных клатратов, что, конечно, их отличает от обычных растворов.
Белки, имеющие в своем составе, как гидрофильные группы, которые стремятся к максимальному контакту с водным окружением, так и гидрофобные группы, которые стремятся к минимальному контакту с водой, образуют в воде глобулу с гидрофобным ядром и гидрофильной поверхностью. Подобно гидратации ионов, структура воды при взаимодействии с белками имеет: первый гидратизационный слой; второй гидратизационный слой с меньшей разупорядоченностью структуры воды, и третий, имеющий структуру обычной воды.
Небольшое количество воды присутствует и внутри глобулы белка. Так, после 48 часов сушки в вакууме (10–5 мм рт. ст.) белки сохраняют около 1% воды по отношению к их массе. Более полное извлечение воды приводит к деструкции макромолекулы белка. Наличие некоторого минимального количества воды в макромолекулах белка является необходимым условием для выполнения ими своих биологических функций.
Вода в биологических мембранах рассматривается, как организующий фактор, с помощью которого формируется пространственная бислойная структура мембран, т.е. вода является стабилизатором их нативной структуры.