Quels facteurs affectent la solubilité de l’acide sulfurique ?

L’huile de vitriol, mieux connue sous le nom d’acide sulfurique, est constituée des trois éléments hydrogène (H), soufre (S) et oxygène (O), et possède la formule chimique H2SO4. C’est l’un des acides les plus puissants connus. C’est aussi un déshydratant dangereux, se dissolvant rapidement dans l’eau, et en toutes proportions. La solubilité de l’acide sulfurique dans l’eau est si énergiquement favorisée qu’elle peut même entraîner des dommages à la vie ou à l’intégrité physique. Les facteurs contribuant à sa grande solubilité dans l’eau comprennent sa polarité élevée, sa facilité d’ionisation, sa stabilisation par liaison hydrogène et la symétrie de son anion.

En règle générale, « comme se dissout comme » indique que l’eau, un solvant hautement polaire, dissoudra d’autres substances polaires. La polarité a une relation étroite avec la constante diélectrique d’une substance, la capacité de traitement de charge d’un matériau. La constante diélectrique de l’acide sulfurique à 100 % est d’environ 100, ce qui est supérieur à celle de l’eau, à environ 80. Cette constante définit le degré de réduction de charge qu’une substance est capable de faire vers une particule complètement englobée en son sein. La solubilité de l’acide sulfurique est, à l’évidence, énergétiquement favorisée par ce procédé.

L’ionisation dans l’acide sulfurique est si forte qu’elle peut le faire à elle-même, le processus étant appelé auto-protolyse. Mécaniquement, la réaction est 2 H2SO4 → H3+SO4 + HSO4−. Étant donné que l’ionisation est la décomposition d’une substance en ses constituants chargés – une partie du processus de dissolution – la solubilité de l’acide sulfurique n’est pas seulement complète dans l’eau, elle est rapide. La partie H3+SO4, elle-même, s’ionise davantage.

La liaison hydrogène est une variété de liaisons « faibles » qui se produisent entre des atomes d’hydrogène électropositifs et des atomes électronégatifs spécifiques, notamment l’oxygène, l’azote et le fluor. L’ion négatif de l’acide sulfurique, ou anion, contient un atome de soufre attaché à quatre atomes d’oxygène. La structure a ainsi une grande capacité à former des liaisons hydrogène fortes et multiples. Cette forme de liaison ajoute une stabilité accrue aux anions et, une fois formée, affecte la recombinaison des ions. Le procédé est énergiquement fortement défavorisé, apportant encore un facteur supplémentaire garantissant la solubilité de l’acide sulfurique.

L’anion de l’acide sulfurique complètement ionisé est le SO4−2. Cet ion est hautement symétrique, les deux électrons de charge peuvent facilement résider sur l’un des quatre atomes d’oxygène au périmètre. Cette stabilité de résonance diminue, en outre, la tendance à la recombinaison ionique et fait partie de l’ensemble de solubilité de l’acide sulfurique. La taille de cet anion déjà gros est considérablement augmentée par les molécules d’eau environnantes qui se lient à lui par une liaison hydrogène. Cela répartit la charge négative modeste sur la surface externe beaucoup plus grande de l’anion hydraté et peut être comparé au processus d’hydratation et d’hydrolyse des cations métalliques positifs.