Quel est le lien entre l'acide sulfurique et l'eau?
Un procédé de préparation d'acide sulfurique consiste à hydrater une molécule de trioxyde de soufre (SO 3 ) avec une molécule d'eau (H 2 O). La réaction est SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 . Il est clair que l’acide sulfurique est étroitement lié à l’eau; De plus, il est complètement soluble dans l'eau. La combinaison d'acide sulfurique concentré avec de l'eau est potentiellement dangereuse car la réaction peut être violente. En effet, les deux substances interagissent - non pas par un ou deux mécanismes - mais par une multitude de mécanismes, chacun ajoutant de manière incrémentielle à la libération totale d'énergie.
L'acide sulfurique pur n'est pas seulement polaire; il peut en fait s'ioniser par le transfert de protons, un processus appelé "auto-protolyse". Cette réaction d'ionisation s'écrit 2 H 2 SO 4 → [H 3 SO 4 ] + [HSO 4 ] - . Ce phénomène facilite la formation de liaisons hydrogène par l'acide sulfurique et l'eau. Ce faisant, de l’énergie sous forme de chaleur pénètre dans le système environnant.
Partout où il existe des atomes d'hydrogène, d'azote, d'oxygène et de fluor, des liaisons faibles appelées «liaisons hydrogène» peuvent se former. Dans le cas de l’acide sulfurique, un ou deux ions hydrogène peuvent quitter l’acide et devenir associés aux molécules d’eau proches. De tels ions "hydronium" (H 3 O + ) chargés positivement se forment facilement car les atomes d'oxygène des molécules d'eau offrent des environnements riches en électrons dans lesquels des ions hydrogène sont attirés. La géométrie d'un ion hydronium est plus symétrique qu'une molécule d'eau. Cela permet une distribution uniforme de la charge, ce qui contribue au dégagement d'énergie dans le système lorsque l'acide sulfurique et l'eau sont combinés.
Une autre énergie libérée par symétrie est la formation de l’anion sulfate doublement chargé (SO 4 -2 ). Les deux électrons libres peuvent s'installer sur n'importe lequel des quatre atomes d'oxygène. Les mêmes charges se repoussent et libèrent ainsi de l'énergie au système si elles peuvent s'échapper vers les régions extérieures de l'ion; il est clair que cette action libère de l’énergie, tandis que l’inverse - réunir des charges similaires - prend de l’énergie. Les constantes diélectriques élevées de l'acide sulfurique et de l'eau permettent un degré élevé de protection de la charge lorsqu'elles sont combinées. Ajoutez à cela une stabilisation supplémentaire rendue possible par des couches supplémentaires d'eau entourant la couche la plus interne liée à l'hydrogène.
Pour les raisons ci-dessus, il faut être prudent lors de la combinaison d'acide sulfurique concentré et d'eau. L'acide doit être ajouté progressivement à l'eau en cours d'agitation, plutôt que l'inverse. Cela évite un dégagement de chaleur excessif, entraînant une ébullition soudaine avec une éjection violente d'acide sur la peau ou dans les yeux. La combinaison d'acide sulfurique et d'eau est utilisée dans la fabrication d'engrais, la production d'acier, le blanchiment de la pâte Kraft et dans les batteries automobiles.