Une méthode de préparation de l’acide sulfurique consiste à hydrater une molécule de trioxyde de soufre (SO3) avec une molécule d’eau (H2O). La réaction est SO3 + H2O → H2SO4. De toute évidence, l’acide sulfurique est étroitement lié à l’eau ; de plus, il est totalement soluble dans l’eau. La combinaison d’acide sulfurique concentré avec de l’eau est potentiellement dangereuse car la réaction peut être violente. C’est parce que les deux substances interagissent – non seulement par un ou deux mécanismes – mais par une multitude de mécanismes, chacun s’ajoutant progressivement à la libération d’énergie totale.
L’acide sulfurique pur n’est pas seulement polaire; il peut en fait s’ioniser par transfert de protons, un processus connu sous le nom d’auto-protolyse. Cette réaction d’ionisation s’écrit 2 H2SO4 → [H3SO4]+[HSO4]-. Ce phénomène permet à l’acide sulfurique et à l’eau de former plus facilement des liaisons hydrogène. Ce faisant, l’énergie sous forme de chaleur pénètre dans le système environnant.
Partout où il y a des atomes d’hydrogène, d’azote, d’oxygène et de fluor disponibles pour le faire, 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 pour s’associer aux molécules d’eau voisines. De tels ions hydronium chargés positivement (H3O+) se forment facilement parce que les atomes d’oxygène des molécules d’eau offrent des environnements riches en électrons vers lesquels les ions hydrogène sont attirés. La géométrie d’un ion hydronium est plus symétrique que celle d’une molécule d’eau. Cela permet une distribution uniforme de la charge, ajoutant à la libération d’énergie dans le système lorsque l’acide sulfurique et l’eau sont combinés.
Une autre libération d’énergie facilitée par la symétrie est la formation de l’anion sulfate doublement chargé (SO4-2). Les deux électrons libres peuvent s’installer sur n’importe lequel des quatre atomes d’oxygène. Des charges similaires se repoussent et libèrent ainsi de l’énergie au système si elles peuvent s’échapper vers les régions externes de l’ion ; il est clair que cette action libère de l’énergie alors que l’inverse – rassemblant 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 contre la charge lorsqu’ils sont combinés. Ajoutez à cela une stabilisation supplémentaire permise par des couches d’eau supplémentaires entourant la couche à liaison hydrogène la plus interne.
Pour les raisons ci-dessus, des précautions doivent être prises lors de la combinaison d’acide sulfurique concentré et d’eau. L’acide doit être ajouté progressivement à l’eau agitée, plutôt que l’inverse. Cela empêche un dégagement de chaleur excessif, conduisant à une ébullition soudaine avec éjection violente d’acide soit sur la peau, soit dans les yeux. La combinaison d’acide sulfurique et d’eau est appliquée dans la fabrication d’engrais, la production d’acier, le blanchiment de la pâte Kraft et dans les batteries automobiles.