Μια μέθοδος παρασκευής θειικού οξέος είναι η ενυδάτωση ενός μορίου τριοξειδίου του θείου (SO3) με ένα μόριο νερού (H2O). Η αντίδραση είναι SO3 + H2O → H2SO4. Σαφώς, το θειικό οξύ έχει στενή σύνδεση με το νερό. Επιπλέον, είναι πλήρως διαλυτό στο νερό. Ο συνδυασμός πυκνού θειικού οξέος με νερό είναι δυνητικά επικίνδυνος καθώς η αντίδραση μπορεί να είναι βίαιη. Αυτό συμβαίνει επειδή οι δύο ουσίες αλληλεπιδρούν — όχι μόνο μέσω ενός ή δύο μηχανισμών — αλλά μέσω μιας σειράς μηχανισμών, ο καθένας προσθέτοντας σταδιακά στη συνολική απελευθέρωση ενέργειας.
Το καθαρό θειικό οξύ δεν είναι μόνο πολικό. μπορεί πραγματικά να ιονιστεί μέσω της μεταφοράς πρωτονίων, μια διαδικασία γνωστή ως «αυτο-πρωτόλυση». Αυτή η αντίδραση ιοντισμού γράφεται 2 H2SO4 → [H3SO4]+[HSO4]-. Αυτό το φαινόμενο διευκολύνει το θειικό οξύ και το νερό να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου. Με αυτόν τον τρόπο, η ενέργεια με τη μορφή θερμότητας εισέρχεται στο περιβάλλον σύστημα.
Όπου υπάρχουν διαθέσιμα άτομα υδρογόνου, αζώτου, οξυγόνου και φθορίου για να γίνει αυτό, μπορεί να σχηματιστούν ασθενείς δεσμοί που ονομάζονται «δεσμοί υδρογόνου». Στην περίπτωση του θειικού οξέος, ένα ή δύο ιόντα υδρογόνου μπορεί να αφήσουν το οξύ να συνδεθεί με κοντινά μόρια νερού. Τέτοια θετικά φορτισμένα ιόντα «υδρονίου» (H3O+) σχηματίζονται εύκολα επειδή τα άτομα οξυγόνου των μορίων του νερού προσφέρουν περιβάλλοντα πλούσια σε ηλεκτρόνια στα οποία έλκονται ιόντα υδρογόνου. Η γεωμετρία ενός ιόντος υδρονίου είναι πιο συμμετρική από ένα μόριο νερού. Αυτό επιτρέπει την ομοιόμορφη κατανομή του φορτίου, προσθέτοντας στην απελευθέρωση ενέργειας στο σύστημα όταν συνδυάζονται θειικό οξύ και νερό.
Ακόμη μια άλλη απελευθέρωση ενέργειας που υποβοηθάται από τη συμμετρία είναι ο σχηματισμός του διπλά φορτισμένου θειικού ανιόντος (SO4-2). Τα δύο ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να εγκατασταθούν σε οποιοδήποτε από τα τέσσερα άτομα οξυγόνου. Όπως τα φορτία απωθούν το ένα το άλλο και έτσι απελευθερώνουν ενέργεια στο σύστημα εάν μπορούν να διαφύγουν στις εξωτερικές περιοχές του ιόντος. Είναι σαφές ότι αυτή η ενέργεια απελευθερώνει ενέργεια καθώς το αντίστροφο — φέρνοντας μαζί παρόμοια φορτία — παίρνει ενέργεια. Οι υψηλές διηλεκτρικές σταθερές του θειικού οξέος και του νερού επιτρέπουν υψηλό βαθμό θωράκισης φορτίου όταν συνδυάζονται. Προσθέστε σε αυτό περαιτέρω σταθεροποίηση που ενεργοποιείται από πρόσθετα στρώματα νερού που περιβάλλουν το πιο εσωτερικό στρώμα που συνδέεται με υδρογόνο.
Για τους παραπάνω λόγους, πρέπει να δίνεται προσοχή όταν συνδυάζεται πυκνό θειικό οξύ και νερό. Το οξύ πρέπει να προστίθεται σταδιακά στο νερό που αναδεύεται, και όχι το αντίστροφο. Αυτό αποτρέπει την υπερβολική απελευθέρωση θερμότητας, που οδηγεί σε ξαφνικό βρασμό με τη βίαιη εκτόξευση οξέος είτε στο δέρμα είτε στα μάτια. Ο συνδυασμός θειικού οξέος και νερού εφαρμόζεται στην κατασκευή λιπασμάτων, στην παραγωγή χάλυβα, στη λεύκανση του πολτού Kraft και σε μπαταρίες αυτοκινήτων.