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硫原子的价电子构型为3S23P4，在形成硫酸分子的过程中，硫原子发生SP3杂化，其中硫原子的两个SP3杂化轨道与两个氧原子形成两个σ键，另外两个SP3杂化轨道中的孤对电子分别给予两个氧原子，生成配σ键，同时还生成部分反配位π键。因为硫原子的3d轨道是空的，氧原子的孤对P电子可和它生成π键，其方向恰好与σ配键相反，正因为如此，实验测得S→O键长比正常单键略短，但硫原子的3d轨道能量较高，σ-π配键中主要是σ配键，π配键比较弱，因此硫酸的性质非常特别。其分子结构为：
浓硫酸具有强烈的氧化性，在于硫酸是不对称分子，其H+的体积很小，具有强烈的极化作用而使O-2的电子云变形并钻入其中，中和-2价O的部分负电荷，使-2价O与中心原子+6价S的结合力减弱，从而破坏了硫酸分子的稳定性，使得+6价S易接受外来的电子而被还原。因此浓硫酸是一种氧化能力相当强的氧化剂，特别是在加热时，其氧化能力格外显著，能与部分非金属和绝大多数金属反应，其产物依还原剂还原性强弱的不同而异。
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