Ein Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure besteht darin, ein Molekül Schwefeltrioxid (SO3) mit einem Molekül Wasser (H2O) zu hydratisieren. Die Reaktion ist SO3 + H2O → H2SO4. Schwefelsäure hat eindeutig eine enge Verbindung zu Wasser; außerdem ist es vollständig wasserlöslich. Die Kombination von konzentrierter Schwefelsäure mit Wasser ist potenziell gefährlich, da die Reaktion heftig sein kann. Dies liegt daran, dass die beiden Substanzen interagieren – nicht nur durch einen oder zwei Mechanismen – sondern durch eine Vielzahl von Mechanismen, von denen jeder inkrementell zur Gesamtenergiefreisetzung beiträgt.
Reine Schwefelsäure ist nicht nur polar; es kann sich tatsächlich durch Protonentransfer ionisieren, ein Prozess, der als „Autoprotolyse“ bekannt ist. Diese Ionisierungsreaktion wird geschrieben 2 H2SO4 → [H3SO4]+[HSO4]-. Dieses Phänomen erleichtert es Schwefelsäure und Wasser, Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. Dabei gelangt Energie in Form von Wärme in das umgebende System.
Überall dort, wo Wasserstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff- und Fluoratome zur Verfügung stehen, können sich schwache Bindungen, sogenannte „Wasserstoffbrücken“, bilden. Im Fall von Schwefelsäure können ein oder zwei Wasserstoffionen die Säure verlassen und sich mit nahegelegenen Wassermolekülen verbinden. Solche positiv geladenen „Hydronium“-Ionen (H3O+) bilden sich leicht, weil die Sauerstoffatome von Wassermolekülen elektronenreiche Umgebungen bieten, in die Wasserstoffionen angezogen werden. Die Geometrie eines Hydroniumions ist symmetrischer als die eines Wassermoleküls. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Ladungsverteilung und trägt zur Energieabgabe an das System bei, wenn Schwefelsäure und Wasser kombiniert werden.
Eine weitere durch Symmetrie unterstützte Energiefreisetzung ist die Bildung des doppelt geladenen Sulfatanions (SO4-2). Die beiden freien Elektronen können sich an jedem der vier Sauerstoffatome niederlassen. Gleiche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab und geben somit Energie an das System ab, wenn sie in die äußeren Bereiche des Ions entweichen können; Es ist klar, dass diese Aktion Energie freisetzt, während das Gegenteil – das Zusammenbringen ähnlicher Ladungen – Energie verbraucht. Die hohen Dielektrizitätskonstanten von Schwefelsäure und Wasser ermöglichen in Kombination eine hohe Ladungsabschirmung. Hinzu kommt eine weitere Stabilisierung, die durch zusätzliche Wasserschichten ermöglicht wird, die die innerste wasserstoffgebundene Schicht umgeben.
Aus den oben genannten Gründen ist bei der Kombination von konzentrierter Schwefelsäure und Wasser Vorsicht geboten. Die Säure sollte nach und nach dem gerührten Wasser zugesetzt werden und nicht umgekehrt. Dadurch wird eine übermäßige Wärmefreisetzung verhindert, die zu einem plötzlichen Sieden mit heftigem Säureausstoß auf die Haut oder in die Augen führt. Die Kombination von Schwefelsäure und Wasser wird bei der Herstellung von Düngemitteln, der Stahlherstellung, der Bleiche von Kraftzellstoff und in Autobatterien eingesetzt.