Un metodo per preparare l’acido solforico consiste nell’idratare una molecola di anidride solforosa (SO3) con una molecola di acqua (H2O). La reazione è SO3 + H2O → H2SO4. Chiaramente, l’acido solforico ha uno stretto legame con l’acqua; inoltre è completamente solubile in acqua. La combinazione di acido solforico concentrato con acqua è potenzialmente pericolosa in quanto la reazione può essere violenta. Questo perché le due sostanze interagiscono – non solo attraverso uno o due meccanismi – ma attraverso una serie di meccanismi, ognuno dei quali si aggiunge in modo incrementale al rilascio totale di energia.
L’acido solforico puro non è solo polare; può effettivamente ionizzarsi attraverso il trasferimento di protoni, un processo noto come “auto-protolisi”. Questa reazione di ionizzazione è scritta 2 H2SO4 → [H3SO4]+[HSO4]-. Questo fenomeno rende più facile per l’acido solforico e l’acqua formare legami idrogeno. In tal modo, l’energia sotto forma di calore entra nel sistema circostante.
Ovunque siano disponibili atomi di idrogeno, azoto, ossigeno e fluoro per farlo, possono formarsi legami deboli chiamati “legami idrogeno”. Nel caso dell’acido solforico, uno o due ioni idrogeno possono lasciare l’acido per associarsi a molecole d’acqua vicine. Tali ioni “idronio” (H3O+) con carica positiva si formano facilmente perché gli atomi di ossigeno delle molecole d’acqua offrono ambienti ricchi di elettroni a cui vengono attratti gli ioni idrogeno. La geometria di uno ione idronio è più simmetrica di una molecola d’acqua. Ciò consente una distribuzione uniforme della carica, aggiungendosi al rilascio di energia nel sistema quando l’acido solforico e l’acqua sono combinati.
Ancora un altro rilascio di energia aiutato dalla simmetria è la formazione dell’anione solfato doppiamente caricato (SO4-2). I due elettroni liberi possono risiedere su uno qualsiasi dei quattro atomi di ossigeno. Le cariche simili si respingono e quindi rilasciano energia al sistema se possono sfuggire alle regioni esterne dello ione; è chiaro che questa azione rilascia energia mentre il contrario, riunendo cariche simili, richiede energia. Le elevate costanti dielettriche dell’acido solforico e dell’acqua consentono un elevato grado di schermatura della carica quando vengono combinate. Aggiungete a questa ulteriore stabilizzazione consentita da ulteriori strati d’acqua che circondano lo strato più interno legato all’idrogeno.
Per i motivi di cui sopra, è necessario prestare attenzione quando si combinano acido solforico concentrato e acqua. L’acido dovrebbe essere aggiunto gradualmente all’acqua che si sta mescolando, piuttosto che il contrario. Ciò impedisce un eccessivo rilascio di calore, che porta all’ebollizione improvvisa con la violenta espulsione di acido sulla pelle o negli occhi. La combinazione di acido solforico e acqua viene applicata nella produzione di fertilizzanti, nella produzione di acciaio, nello sbiancamento della pasta Kraft e nelle batterie per autoveicoli.