Wat is het verband tussen zwavelzuur en water?
Een methode voor het bereiden van zwavelzuur is door een molecuul zwaveltrioxide (SO 3 ) te hydrateren met een molecuul water (H 2 O). De reactie is SO3 + H20 → H2S04. Het is duidelijk dat zwavelzuur nauw verbonden is met water; bovendien is het volledig oplosbaar in water. Het combineren van geconcentreerd zwavelzuur met water is potentieel gevaarlijk omdat de reactie gewelddadig kan zijn. Dit komt omdat de twee stoffen op elkaar inwerken - niet via slechts één of twee mechanismen - maar via een groot aantal mechanismen, die elk incrementeel bijdragen aan de totale afgifte van energie.
Zuiver zwavelzuur is niet alleen polair; het kan zichzelf eigenlijk ioniseren door protonenoverdracht, een proces dat bekend staat als "auto-protolyse". Deze ionisatiereactie wordt geschreven 2 H 2 SO 4 → [H 3 SO 4 ] + [HSO 4 ] - . Dit fenomeen maakt het gemakkelijker voor zwavelzuur en water om waterstofbruggen te vormen. Daarbij komt energie in de vorm van warmte het omringende systeem binnen.
Overal waar waterstof, stikstof, zuurstof en fluoratomen beschikbaar zijn, kunnen zich zwakke bindingen vormen die "waterstofbindingen" worden genoemd. In het geval van zwavelzuur kunnen een of twee waterstofionen het zuur verlaten om geassocieerd te worden met nabijgelegen moleculen water. Dergelijke positief geladen "hydronium" -ionen (H30 + ) vormen zich gemakkelijk omdat de zuurstofatomen van watermoleculen elektronenrijke omgevingen bieden waarnaar waterstofionen worden getrokken. De geometrie van een hydroniumion is meer symmetrisch dan een watermolecuul. Dit maakt een uniforme ladingsverdeling mogelijk, wat bijdraagt aan het vrijgeven van energie in het systeem wanneer zwavelzuur en water worden gecombineerd.
Nog een andere energievrijgave, geholpen door symmetrie, is de vorming van het dubbel geladen sulfaatanion (SO 4 -2 ). De twee vrije elektronen kunnen hun intrek nemen op elk van de vier zuurstofatomen. Zoals ladingen stoten elkaar af en geven dus energie af aan het systeem als ze kunnen ontsnappen naar de buitenste gebieden van het ion; het is duidelijk dat bij deze actie energie vrijkomt terwijl het omgekeerde - gelijke ladingen bij elkaar brengen - energie kost. De hoge diëlektrische constanten van zwavelzuur en water maken een hoge mate van ladingafscherming mogelijk wanneer ze worden gecombineerd. Voeg aan deze verdere stabilisatie toe, mogelijk gemaakt door extra lagen water die de binnenste waterstofgebonden laag omringen.
Om de bovengenoemde redenen is voorzichtigheid geboden bij het combineren van geconcentreerd zwavelzuur en water. Het zuur moet geleidelijk worden toegevoegd aan water dat wordt geroerd, in plaats van andersom. Dit voorkomt overmatige afgifte van warmte, wat leidt tot plotseling koken met de gewelddadige uitstoot van zuur op de huid of in de ogen. De combinatie van zwavelzuur en water wordt toegepast bij de productie van kunstmest, de productie van staal, het bleken van Kraft-pulp en in autobatterijen.