Vad är kopplingen mellan svavelsyra och vatten?
Ett sätt att framställa svavelsyra är genom att hydrera en molekyl svaveltrioxid (SO 3 ) med en vattenmolekyl (H20). Reaktionen är SO 3 + H20 → H2S04. Det är uppenbart att svavelsyra har en nära anslutning till vatten; dessutom är den helt löslig i vatten. Att kombinera koncentrerad svavelsyra med vatten är potentiellt farligt eftersom reaktionen kan vara våldsam. Detta beror på att de två ämnena interagerar - inte bara genom en eller två mekanismer - utan genom en mängd mekanismer som var och en adderar stegvis till den totala energif frisättningen.
Ren svavelsyra är inte bara polär; det kan faktiskt jonisera sig själv genom protonöverföring, en process som kallas "auto-protolys." Denna joniseringsreaktion är skriven 2 H 2 SO 4 → [H 3 SO 4 ] + [HSO 4 ] - . Detta fenomen gör det lättare för svavelsyra och vatten att bilda vätebindningar. På så sätt kommer energi i form av värme in i det omgivande systemet.
Där det finns väte, kväve, syre och fluoratomer tillgängliga för att göra det, kan svaga bindningar kallas "vätebindningar" bildas. I fallet med svavelsyra kan en eller två vätejoner låta syran bli associerad med närliggande vattenmolekyler. Sådana positivt laddade "hydronium" -joner (H3O + ) bildas lätt eftersom syreatomerna i vattenmolekylerna erbjuder elektroniska miljöer till vilka vätejoner dras. Geometrien för en hydroniumjon är mer symmetrisk än en vattenmolekyl. Detta möjliggör enhetlig laddningsfördelning, vilket bidrar till att energi släpps ut i systemet när svavelsyra och vatten kombineras.
Ytterligare en energiutlösning med hjälp av symmetri är bildandet av den dubbelt laddade sulfatanjonen (SO 4 -2 ). De två fria elektronerna kan bo på någon av de fyra syreatomerna. Liksom laddningar avvisar varandra och släpper således energi till systemet om de kan fly till de yttre områdena av jonen; det är uppenbart att den här åtgärden frigör energi eftersom det omvända - som tar samman laddningar - tar energi. De höga dielektriska konstanterna av svavelsyra och vatten möjliggör en hög grad av laddningsskärmning när de kombineras. Lägg till denna ytterligare stabilisering som möjliggörs av ytterligare vattenlager som omger det innersta vätebundna skiktet.
Av ovanstående skäl måste man vara försiktig när man kombinerar koncentrerad svavelsyra och vatten. Syran bör tillsättas gradvis till vatten som omrörs, snarare än tvärtom. Detta förhindrar överdriven värmeutsläpp, vilket leder till plötslig kokning med våldsamt utkast av syra antingen på huden eller i ögonen. Kombinationen av svavelsyra och vatten används vid tillverkning av gödselmedel, produktion av stål, blekning av Kraftmassa och i bilbatterier.