¿Por qué el agua es el solvente "universal"?

Question

Esta es una vieja pregunta que nuestro libro de texto intentó responder pero empeoró la situación.

Muchas cosas son solubles en agua. Tantas, que estudiar soluciones siempre requerirá estudiar las acuosas. Es cierto que muchos no polares como las ceras no son muy solubles en agua, sin embargo, nunca me he encontrado con un solvente tan "bueno" como el agua.

Pero ¿cómo nos respondieron cuando preguntamos por qué el agua es un buen solvente? Dijeron que como el agua es polar, la atracción entre, por ejemplo, $\ce{O}$ y los iones positivos es tanta blah blah blah!

Entonces o hay solventes "grandes" como el agua por ahí o hay otras cosas sobre el agua que lo convierten en el solvente maestro que están más allá de mi comprensión.

• ¿Hay un solvente tan "versátil" como el agua?
• ¿Puede este tipo de solvente ser no polar?
• Si la respuesta a las preguntas anteriores es no, ¿qué tiene de especial el agua?

Answer 1

Para abordar directamente de dónde proviene la frase:

El agua es llamada el "disolvente universal" porque disuelve más sustancias que cualquier otro líquido. -USGS

¿Cuáles son las cualidades ideales de un disolvente?

La fuerza de un disolvente se puede atribuir a la fuerza de sus fuerzas intermoleculares como fuerzas de London, fuerzas dipolo-dipolo, dipolo inducido por ion y enlace de hidrógeno. Estas son fuerzas de atracción y repulsión. La solvatación ocurre cuando una molécula está rodeada por el disolvente, así que cuando hay fuerzas intermoleculares fuertes, se produce una solvatación más fuerte.

El enlace de hidrógeno

El agua hace uso del enlace de hidrógeno, un tipo de fuerza intermolecular experimentada cuando el hidrógeno es atraído hacia los átomos electronegativos de nitrógeno, oxígeno o flúor. El enlace de hidrógeno es la fuerza intermolecular más fuerte.

Hidrofobia

El agua es un gran disolvente para moléculas hidrofílicas pero las moléculas hidrofóbicas, por definición, no son fácilmente disturbadas por el agua. Esto hace una clara excepción a la idea de "Disolvente Universal". No he leído literatura alguna que afirme que realmente sea el mejor disolvente, pero funciona bien en muchas situaciones químicas.

Answer 2

TL;DR: El agua es increíblemente fácil de obtener y trabajar.

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En detalle

El agua es un buen disolvente para compuestos polares[se necesita cita], y las razones para esto están bastante bien explicadas por John Snow, pero eso no es realmente lo que lo convierte en el disolvente universal.

En cambio, una serie de otras propiedades incidentales lo convierten en una opción popular:

Disponibilidad

Hay mucho agua[se necesita cita]. Literlamente cae del cielo. Esto significa que para la mayoría de las aplicaciones, es el disolvente más barato disponible.

Reactividad

El agua es una molécula bastante estable. Pocas cosas que puedas disolver en agua se espera que reaccionen significativamente con ella. No arderá ni se comburirá fácilmente, incluso en forma de vapor, y su alta capacidad calorífica y prevalencia (ver arriba) significa que puede apagar efectivamente la mayoría de las reacciones descontroladas que puedan ocurrir, como incendios (hay momentos en los que agregar agua a un fuego es una mala idea, especialmente quizás en un laboratorio, pero incluso en esos momentos el problema se puede resolver agregando mucho agua).

Toxicidad

A diferencia de otros disolventes comunes, el agua no es tóxica[se necesita cita], y no es un peligro bio- o ecológico. Esto significa que el disolvente no utilizado se puede desechar sin precauciones especiales, y si el soluto se puede desechar trivialmente, el disolvente también se puede desechar.

Pureza y estabilidad

El agua está en todas partes[se necesita cita], lo que le da otra propiedad única: A diferencia de muchos otros disolventes, el agua no absorberá el vapor de agua atmosférico, disminuyendo su pureza como una cuestión natural. (Todavía intercambiará agua con el vapor atmosférico, por supuesto, pero no cambia significativamente su composición.)

El agua destilada al 100 % permanecerá más o menos pura a menos que algo se le agregue activamente, lo cual, aunque no es único, es útil y algo poco común. Las moléculas de agua tampoco se descompondrán espontáneamente bajo la mayoría de las condiciones racionales.

Temperaturas de operación

El agua es líquida en un amplio rango de temperaturas, desde 0°C hasta 100°C. En condiciones de laboratorio de ~1 atm y 20-25°C, el agua es un líquido práctico y bien comportado.

Además, mientras que la fase líquida está disponible en un amplio rango de temperaturas, los estados sólido y gaseoso no están fuera de alcance al utilizar incluso equipos extremadamente básicos. Enfriar el agua a mucho menos que 0°C, digamos -18°C, o hervirla, son actividades triviales, utilizando equipos que no solo están disponibles en cada laboratorio, sino incluso en la mayoría de los hogares.

En resumen...

El agua no siempre es la mejor herramienta para el trabajo, pero casi siempre es buena o excelente, al menos cuando se trabaja con compuestos polares. Una alternativa común al agua es el alcohol etílico, que tiene propiedades polares y temperaturas de operación similares, pero el etanol tiene debilidades en las otras categorías mencionadas aquí, es decir, su reactividad, su absorción de vapor de agua y su precio.

Answer 3

Solo para dar una respuesta alternativa:

Considera una tabla de miscibilidad de solventes como la que se ha enlazado.

¿Cuál es el solvente menos miscible? ¡Agua! El agua es el peor solvente. El agua es inmiscible con 17 de los 30 solventes listados.

Hay 6 solventes en la tabla que son miscibles con todos los demás: etanol, acetona, tetrahidrofurano, n- & iso-propanol y dioxano.

¿Por qué el agua es un solvente tan malo? Enlaces de hidrógeno. Las moléculas de agua están fuertemente unidas por enlaces de hidrógeno a otras moléculas de agua. Para disolver algo más, estos enlaces de hidrógeno deben romperse.

Desde otra perspectiva, mira a través de la tabla periódica. ¿Qué disuelve el agua de manera estable? ¿El agua disuelve oro, plata, cobre, estaño, plomo, aluminio, y muchos otros metales y metaloides como antimonio, silicio y germanio, como lo hace el mercurio?

No hay nada universal acerca del agua, excepto que hay mucha en la Tierra y la necesitamos para vivir.

Answer 4

Dado que el agua es polar como mencionas, y "lo similar disuelve lo similar" sigue siendo un buen principio, creo que la respuesta es que muchas sustancias son polares. La mayoría de las sales (iónicas) lo son, por ejemplo. Incluso las sustancias que son covalentes polares son al menos ligeramente polares y por lo tanto algo solubles (y con agitación, más solubles). Así que tienes que ser realmente no polar (por ejemplo, hidrocarburos, "aceites") para no ser soluble en agua.

Answer 5

Vale la pena mencionar algo de la historia detrás del término "disolvente universal" y por qué se usa aunque el agua no sea verdaderamente universal o incluso necesariamente el disolvente más versátil disponible.

Antes de la existencia de la química, y de hecho antes de que la ciencia existiera como la práctica que reconoceríamos hoy, la alquimia era una protociencia importante. Varios avances importantes y refinamientos se lograron debido al trabajo de los alquimistas, y a pesar de que a menudo se sepultaba en el misticismo (y, a veces, el fraude), la alquimia inició la investigación de las propiedades químicas de la materia. La química se desarrolló en gran medida en reacción a la alquimia, rechazando los fundamentos místicos y aplicando el método científico.

Dentro de la alquimia, existía la creencia en la existencia de un "disolvente universal", que sería parte del proceso para producir la piedra filosofal y/o transmutar plomo en oro. Numerosos alquimistas afirmaban saber cómo hacerlo, mientras que muchos otros consideraban la producción de este disolvente como uno de sus principales objetivos generales, el paso más difícil o secreto para obtener los poderes que creían podían lograr a través de la alquimia.

Obviamente, nunca se ha encontrado un químico con las propiedades descritas para este disolvente universal. Sin embargo, debido al uso crítico del agua como el disolvente predeterminado en el trabajo químico, a menudo se le ha referido con ese título. Otras respuestas describen mejor que yo por qué el agua es un disolvente particularmente útil.