Какая связь между серной кислотой и водой?
Одним из способов получения серной кислоты является гидратация молекулы триоксида серы (SO 3 ) молекулой воды (H 2 O). Реакция SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 . Очевидно, что серная кислота имеет тесную связь с водой; кроме того, он полностью растворим в воде. Объединение концентрированной серной кислоты с водой потенциально опасно, так как реакция может быть бурной. Это потому, что эти два вещества взаимодействуют - не только через один или два механизма - но через множество механизмов, каждое из которых постепенно увеличивает общее выделение энергии.
Чистая серная кислота не просто полярна; на самом деле он может ионизироваться посредством переноса протона, процесса, известного как «автопротолиз». Эта реакция ионизации записывается как 2 H 2 SO 4 → [H 3 SO 4 ] + [HSO 4 ] - . Это явление позволяет серной кислоте и воде образовывать водородные связи. При этом энергия в виде тепла поступает в окружающую систему.
Везде, где есть атомы водорода, азота, кислорода и фтора, могут образовываться слабые связи, называемые «водородными связями». В случае серной кислоты один или два иона водорода могут покинуть кислоту и стать связанными с соседними молекулами воды. Такие положительно заряженные «гидрониевые» ионы (H 3 O + ) легко образуются, потому что атомы кислорода молекул воды создают обогащенную электронами среду, в которую попадают ионы водорода. Геометрия иона гидрония более симметрична, чем молекула воды. Это обеспечивает равномерное распределение заряда, добавляя к высвобождению энергии в систему, когда серная кислота и вода объединяются.
Еще одним выделением энергии, которому способствует симметрия, является образование двухзарядного сульфат-аниона (SO 4 -2 ). Два свободных электрона могут поселиться на любом из четырех атомов кислорода. Подобные заряды отталкивают друг друга и, таким образом, высвобождают энергию в систему, если они могут уйти во внешние области иона; Ясно, что это действие высвобождает энергию, так как обратное - объединение одинаковых зарядов - берет энергию Высокие диэлектрические постоянные серной кислоты и воды обеспечивают высокую степень экранирования заряда при их объединении. Добавьте к этому дальнейшую стабилизацию, обеспечиваемую дополнительными слоями воды, окружающими самый внутренний слой, связанный водородом.
По указанным выше причинам необходимо соблюдать осторожность при сочетании концентрированной серной кислоты и воды. Кислоту следует постепенно добавлять в перемешиваемую воду, а не наоборот. Это предотвращает чрезмерное выделение тепла, что приводит к внезапному кипению с сильным выбросом кислоты на кожу или в глаза. Комбинация серной кислоты и воды применяется при производстве удобрений, производстве стали, отбеливании крафт-целлюлозы и в автомобильных аккумуляторах.