Was ist der Zusammenhang zwischen Schwefelsäure und Wasser?
Ein Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure besteht darin, ein Molekül Schwefeltrioxid (SO 3 ) mit einem Molekül Wasser (H 2 O) zu hydratisieren. Die Reaktion ist SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 . Schwefelsäure ist eindeutig eng mit Wasser verbunden. Darüber hinaus ist es vollständig wasserlöslich. Das Kombinieren von konzentrierter Schwefelsäure mit Wasser ist möglicherweise gefährlich, da die Reaktion heftig sein kann. Dies liegt daran, dass die beiden Substanzen nicht nur über einen oder zwei Mechanismen interagieren, sondern über eine Vielzahl von Mechanismen, die sich jeweils inkrementell zur Gesamtenergiefreisetzung addieren.
Reine Schwefelsäure ist nicht nur polar; Es kann sich selbst durch Protonentransfer ionisieren, ein Prozess, der als "Auto-Protolyse" bekannt ist. Diese Ionisationsreaktion wird mit 2 H 2 SO 4 → [H 3 SO 4 ] + [HSO 4 ] - beschrieben . Dieses Phänomen erleichtert es Schwefelsäure und Wasser, Wasserstoffbrücken zu bilden. Dabei gelangt Energie in Form von Wärme in das umgebende System.
Wo immer Wasserstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff- und Fluoratome zur Verfügung stehen, können sich schwache Bindungen bilden, die als "Wasserstoffbindungen" bezeichnet werden. Im Fall von Schwefelsäure können ein oder zwei Wasserstoffionen die Säure verlassen, um mit nahegelegenen Wassermolekülen assoziiert zu werden. Solche positiv geladenen "Hydronium" -Ionen (H 3 O + ) bilden sich leicht, weil die Sauerstoffatome von Wassermolekülen elektronenreiche Umgebungen bieten, in die Wasserstoffionen gezogen werden. Die Geometrie eines Hydroniumions ist symmetrischer als ein Wassermolekül. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Ladungsverteilung und trägt zur Freisetzung von Energie in das System bei, wenn Schwefelsäure und Wasser kombiniert werden.
Eine weitere Energiefreisetzung, die durch Symmetrie unterstützt wird, ist die Bildung des doppelt geladenen Sulfatanions (SO 4 -2 ). Die beiden freien Elektronen können sich an einem der vier Sauerstoffatome niederlassen. Gleiche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab und geben so Energie an das System ab, wenn sie in die äußeren Regionen des Ions entweichen können. Es ist klar, dass diese Aktion Energie freisetzt, während die Umkehrung - das Zusammenbringen von Ladungen - Energie verbraucht. Die hohen Dielektrizitätskonstanten von Schwefelsäure und Wasser ermöglichen eine hohe Ladungsabschirmung, wenn sie kombiniert werden. Zu dieser weiteren Stabilisierung tragen zusätzliche Wasserschichten bei, die die innerste wasserstoffgebundene Schicht umgeben.
Aus den oben genannten Gründen muss beim Kombinieren von konzentrierter Schwefelsäure und Wasser vorsichtig vorgegangen werden. Die Säure sollte allmählich zu dem Wasser gegeben werden, das gerührt wird, und nicht umgekehrt. Dies verhindert eine übermäßige Wärmeabgabe, die zu einem plötzlichen Kochen mit heftigem Ausstoß von Säure entweder auf die Haut oder in die Augen führt. Die Kombination von Schwefelsäure und Wasser wird bei der Herstellung von Düngemitteln, der Stahlherstellung, dem Bleichen von Kraftzellstoff und in Autobatterien eingesetzt.