Jedna metoda za pripremu sumporne kiseline je hidratacija molekule sumpornog trioksida (SO3) s molekulom vode (H2O). Reakcija je SO3 + H2O → H2SO4. Jasno je da je sumporna kiselina blisko povezana s vodom; osim toga, potpuno je topiv u vodi. Kombiniranje koncentrirane sumporne kiseline s vodom potencijalno je opasno jer reakcija može biti burna. To je zato što dvije tvari međusobno djeluju – ne samo kroz jedan ili dva mehanizma – već kroz niz mehanizama, od kojih svaki postupno dodaje ukupnom oslobađanju energije.
Čista sumporna kiselina nije samo polarna; zapravo se može ionizirati kroz prijenos protona, proces poznat kao “auto-protoliza”. Ova reakcija ionizacije je zapisana 2 H2SO4 → [H3SO4]+[HSO4]-. Ovaj fenomen olakšava sumpornoj kiselini i vodi stvaranje vodikovih veza. Pritom energija u obliku topline ulazi u okolni sustav.
Gdje god za to postoje atomi vodika, dušika, kisika i fluora, mogu se stvoriti slabe veze koje se nazivaju “vodikove veze”. U slučaju sumporne kiseline, jedan ili dva vodikova iona mogu napustiti kiselinu kako bi se povezali s obližnjim molekulama vode. Takvi pozitivno nabijeni “hidronijevi” ioni (H3O+) lako se formiraju jer atomi kisika u molekulama vode nude okruženje bogato elektronima u koje se privlače vodikovi ioni. Geometrija hidronijevog iona je simetričnija od molekule vode. To omogućuje jednoliku raspodjelu naboja, što doprinosi oslobađanju energije u sustav kada se kombiniraju sumporna kiselina i voda.
Još jedno oslobađanje energije uz pomoć simetrije je stvaranje dvostruko nabijenog sulfatnog aniona (SO4-2). Dva slobodna elektrona mogu se smjestiti na bilo koji od četiri atoma kisika. Kao što se naboji međusobno odbijaju i tako oslobađaju energiju u sustav ako mogu pobjeći u vanjska područja iona; jasno je da ova radnja oslobađa energiju dok obrnuto – spajanje sličnih naboja – uzima energiju. Visoke dielektrične konstante sumporne kiseline i vode omogućuju visok stupanj zaštite od naboja kada su spojene. Dodajte tome daljnju stabilizaciju omogućenu dodatnim slojevima vode koji okružuju najnutarnji sloj s vodikovom vezom.
Iz gore navedenih razloga potrebno je biti oprezan pri kombiniranju koncentrirane sumporne kiseline i vode. Kiselinu treba dodavati postupno u vodu koja se miješa, a ne obrnuto. Time se sprječava prekomjerno oslobađanje topline, što dovodi do naglog ključanja uz nasilno izbacivanje kiseline na kožu ili u oči. Kombinacija sumporne kiseline i vode primjenjuje se u proizvodnji gnojiva, proizvodnji čelika, bijeljenju Kraft pulpe i u automobilskim akumulatorima.