Jaki jest związek między kwasem siarkowym a wodą?
Jednym ze sposobów wytwarzania kwasu siarkowego jest uwodnienie cząsteczki trójtlenku siarki (SO 3 ) cząsteczką wody (H2O). Reakcja to SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 . Oczywiście kwas siarkowy ma ścisłe połączenie z wodą; ponadto jest całkowicie rozpuszczalny w wodzie. Łączenie stężonego kwasu siarkowego z wodą jest potencjalnie niebezpieczne, ponieważ reakcja może być gwałtowna. Jest tak, ponieważ dwie substancje oddziałują - nie tylko za pośrednictwem jednego lub dwóch mechanizmów - ale poprzez szereg mechanizmów, z których każdy stopniowo zwiększa całkowite uwalnianie energii.
Czysty kwas siarkowy jest nie tylko polarny; może faktycznie jonizować się poprzez transfer protonów, proces znany jako „auto-protoliza”. Tę reakcję jonizacji zapisano 2 H 2 SO 4 → [H 3 SO 4 ] + [HSO 4 ] - . Zjawisko to ułatwia kwasowi siarkowemu i wodzie tworzenie wiązań wodorowych. W ten sposób energia w postaci ciepła dostaje się do otaczającego systemu.
Wszędzie tam, gdzie dostępne są atomy wodoru, azotu, tlenu i fluoru, mogą powstawać słabe wiązania zwane „wiązaniami wodorowymi”. W przypadku kwasu siarkowego jeden lub dwa jony wodoru mogą opuścić kwas i związać się z pobliskimi cząsteczkami wody. Takie dodatnio naładowane jony „hydroniowe” (H 3 O + ) łatwo tworzą się, ponieważ atomy tlenu cząsteczek wody oferują środowiska bogate w elektrony, do których przyciągane są jony wodoru. Geometria jonu hydroniowego jest bardziej symetryczna niż cząsteczka wody. Umożliwia to równomierny rozkład ładunku, zwiększając uwalnianie energii do układu, gdy kwas siarkowy i woda są połączone.
Jeszcze innym uwalnianiem energii wspomaganym przez symetrię jest tworzenie podwójnie naładowanego anionu siarczanowego (SO 4 -2 ). Dwa wolne elektrony mogą zamieszkiwać na dowolnym z czterech atomów tlenu. Podobnie jak ładunki odpychają się nawzajem, a tym samym uwalniają energię do systemu, jeśli mogą uciec do zewnętrznych obszarów jonu; jasne jest, że to działanie uwalnia energię, podczas gdy odwrotność - łącząc podobne ładunki - pobiera energię. Wysokie stałe dielektryczne kwasu siarkowego i wody umożliwiają wysoki stopień ochrony ładunku, gdy są one połączone. Dodaj do tego dalszą stabilizację dzięki dodatkowym warstwom wody otaczającym najbardziej wewnętrzną warstwę związaną z wodorem.
Z powyższych powodów należy zachować ostrożność podczas łączenia stężonego kwasu siarkowego i wody. Kwas należy dodawać stopniowo do mieszanej wody, a nie na odwrót. Zapobiega to nadmiernemu wydzielaniu ciepła, prowadząc do gwałtownego wrzenia z gwałtownym wyrzucaniem kwasu na skórę lub do oczu. Połączenie kwasu siarkowego i wody znajduje zastosowanie w produkcji nawozów, produkcji stali, bieleniu masy celulozowej i akumulatorach samochodowych.