Гидразин

Гидразин
Общие
Систематическое наименование	гидразин
Химическая формула	N2H4
Физические свойства
Состояние (ст. усл.)	бесцветная жидкость
Отн. молек. масса	32.05 а. е. м.
Молярная масса	32.05 г/моль
Плотность	1.01 г/см³
Термические свойства
Температура плавления	1 °C
Температура кипения	114 °C
Химические свойства
Растворимость в воде	смешивается г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	[302-01-2]

Гидрази́н (диамид) H₂N—NH₂ — бесцветная, сильно гигроскопическая жидкость с неприятным запахом.

Молекула N₂H₄ состоит из двух групп NH₂, повёрнутых друг относительно друга, что обусловливает полярность молекулы гидразина, μ = 0,62·10⁻²⁹ Кл · м. Смешивается в любых соотношениях с водой, жидким аммиаком, этанолом; в неполярных растворителях растворяется плохо. Гидразин и большинство его производных токсичны.

Свойства

Термодинамически гидразин значительно менее устойчив, чем аммиак, так как связь N—N не очень прочна: разложение гидразина - экзотермическая реакция, протекающая в отсутствие катализаторов при 200-300 °С:

3 N₂H₄ → 4 NH₃ + N₂

Переходные металлы (Co, Ni, Cu, Ag) катализируют разложение гидразина, при катализе платиной, родием и палладием основными продуктами разложения являются азот и водород:

N₂H₄ → N₂ + 2 H₂

Благодаря наличию двух неподелённых пар электронов у атомов азота, гидразин способен к присоединению одного или двух ионов водорода. При присоединении одного протона получаются соединения гидразиния с зарядом 1+, двух протонов — гидразиния 2+, содержащие соответственно ионы N₂H₅⁺ и N₂H₆²⁺. Водные растворы гидразина обладают основными свойствами, но его основность значительно меньше, чем у аммиака:

N₂H₄ + H₂O → [N₂H₅]⁺ + OH⁻ (K_b = 3,0·10⁻⁶)

(для аммиака K_b = 1,78·10⁻⁵) Протонирование второй неподеленной пары электронов протекает ещё труднее:

[N₂H₅]⁺ + H₂O → [N₂H₆]²⁺ + OH⁻ (K_b = 8,4·10⁻¹⁶)

Известны соли гидразина — хлорид N₂H₅Cl, сульфат N₂H₆SO₄ и т. д. Иногда их формулы записывают N₂H₄ · HCl, N₂H₄ · H₂SO₄ и т. д. и называют гидрохлорид гидразина, сульфат гидразина и т. д. Большинство таких солей растворимо в воде.

Соли гидразина бесцветны, почти все хорошо растворимы в воде. К числу важнейших относится сульфат гидразина N₂H₄ · H₂SO₄.

Гидразин как восстановитель

Гидразин — энергичный восстановитель. В растворах гидразин обычно также окисляется до азота:

4KMnO₄ + 5N₂H₄ + 6 H₂SO₄ → 5N₂ + 4MnSO₄ + 2K₂SO₄ + 16H₂O

Восстановить гидразин до аммиака можно только сильными восстановителями, такими, как Sn²⁺, Ti³⁺, водородом в момент выделения(Zn + HCl):

N₂H₄ + Zn + 4HCl → 2NH₄Cl + ZnCl₂

Окисляется кислородом воздуха до азота, аммиака и воды. Известны многие органические производные гидразина. Гидразин, а также гидразин-гидрат, гидразин-сульфат, гидразин-хлорид, широко применяются в качестве восстановителей золота, серебра, платиновых металлов из разбавленных растворов их солей. Медь в аналогичных условиях восстанавливается до закиси.

В органическом синтезе гидразин применяется для восстановления карбонильной группы альдегидов и кетонов до метиленовой по Кижнеру—Вольфу (реакция Кижнера—Вольфа), реакция идёт через образование гидразонов, расщепляющихся затем под действием сильных оснований.

Обнаружение

Качественной реакцией на гидразин служит образование окрашенных гидразонов с некоторыми альдегидами, в частности — с p-диметиламинобензальдегидом.

Получение

Гидразин получают окислением аммиака NH₃ или мочевины CO(NH₂)₂ гипохлоритом натрия NaClO:

NH₃ + NaClO $\to$ NH₂Cl + NaOH

NH₂Cl + NH₃ $\to$ N₂H₄ · HCl,

реакция проводится при температуре 160 °C и давлении 2,5−3,0 МПа.

Синтез гидразина окислением мочевины гипохлоритом по механизму аналогичен синтезу аминов из амидов по Гофману:

H₂NCONH₂ + NaOCl + 2 NaOH $\to$ N₂H₄ + H₂O + NaCl + Na₂CO₃,

реакция проводится при температуре ~100 °C и атмосферном давлении.

Применение

Гидразин применяют в органическом синтезе, в производстве пластмасс, резины, инсектицидов, взрывчатых веществ, в качестве компонента ракетного топлива.

Гидразина сульфат применяется в случае таких заболеваний, как неоперабельные прогрессирующие распространенные формы, рецидивы и метастазы злокачественных опухолей — рак легкого (особенно немелкоклеточный), молочных желез, желудка, поджелудочной железы, гортани, эндометрия, шейки матки, десмоидный рак, саркома мягких тканей, фибросаркома, нейробластома, лимфогранулематоз, лимфосаркома (монотерапия или в составе полихимиотерапии).

Гидразин и его производные, такие как метилгидразин, несимметричный диметилгидразин и их смеси (аэрозин) широко распространены как ракетное горючее. Они могут быть использованы в паре с самыми разными окислителями, а некоторые и в качестве однокомпонентного топлива, в этом случае рабочим телом двигателя являются продукты разложения на катализаторе. Последнее удобно для маломощных двигателей.
Во время Второй мировой войны гидразин был применён в Германии на реактивных истребителях «Мессершмитт Ме-16З».

Теоретические характеристики различных видов ракетного топлива, образованных гидразином с различными окислителями.

Окислитель

Окислитель	Удельная тяга (Р1, с*)	Температура сгорания °С	Плотность топлива г/см³	Прирост скорости, ΔVид,25, м/с	Весовое содерж.горючего %
Фтор	364,4 с	°С	1,314	5197 м/с	31 %
Тетрафторгидразин	334,7 с	°С	1,105	4346 м/с	23,5 %
ClF3	294,6 с	°С	1,507	4509 м/с	27 %
ClF5	312,0 с	°С	1,458	4697 м/с	26,93 %
Перхлорилфторид	295,3 с	°С	1,327	4233 м/с	40 %
Фторид кислорода	345,9 с	°С	1,263	4830 м/с	40 %
Кислород	312,9 с	°С	1,065	3980 м/с	52 %
Перекись водорода	286,9 с	°С	1,261	4003 м/с	33 %
N2O4	291,1 с	°С	1,217	3985 м/с	43 %
Азотная кислота	279,1 с	°С	1,254	3883 м/с	40 %

• Удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (примерно равное 9,81 м/с²)

Гидразин также применяется в качестве топлива в гидразин-воздушных низкотемпературных топливных элементах.

Жидкая смесь гидразина и нитрата аммония используется как мощное взрывчатое средство с нулевым кислородным балансом — астролита, который, однако, в настоящее время практического значения не имеет.

Литература

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 2001
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. М.: Химия, 1994

Примечания