Гидразин

Гидразин
Общие
Систематическое наименование	Гидразин
Хим. формула	N2H4
Физические свойства
Состояние	бесцветная жидкость
Молярная масса	32,05 г/моль
Плотность	1,01 г/см³
Энергия ионизации	8,93 ± 0,01 эВ
Термические свойства
Т. плав.	+2 °C
Т. кип.	114 °C
Т. всп.	99 ± 0 °F
Пр. взрв.	2,9 ± 0,1 об.%
Давление пара	10 ± 1 мм рт.ст.
Химические свойства
pKa	8,1 ± 0,01
Растворимость в воде	смешивается
Классификация
Рег. номер CAS	[302-01-2]
PubChem	9321
Рег. номер EINECS	206-114-9
SMILES	NN
InChI	1S/H4N2/c1-2/h1-2H2 OAKJQQAXSVQMHS-UHFFFAOYSA-N
RTECS	MU7175000
ChEBI	15571
Номер ООН	2029
ChemSpider	8960
Безопасность
Пиктограммы СГС
NFPA 704	3 3 2
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Гидрази́н (диамин) H₂N—NH₂ — бесцветная, очень токсичная, 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. Образует органические производные: алкилгидразины и арилгидразины.

Был открыт в 1887 году Теодором Курциусом.

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 °C:

${\displaystyle {\mathsf {3N_{2}H_{4}\rightarrow 4NH_{3}+N_{2}}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {N_{2}H_{4}\rightarrow N_{2}+2H_{2}}}}$

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 — гидразония с зарядом 2+, содержащие соответственно ионы N₂H₅⁺ и N₂H₆²⁺. Водные растворы гидразина обладают основными свойствами, но его основность значительно меньше, чем у аммиака:

${\displaystyle {\mathsf {N_{2}H_{4}+H_{2}O\rightarrow [N_{2}H_{5}]^{+}+OH^{-},\ \ K_{b}=3,0\cdot 10^{-6}}}}$

(для аммиака K_b = 1,78⋅10⁻⁵)

Протонирование второй неподеленной пары электронов протекает ещё труднее:

${\displaystyle {\mathsf {[N_{2}H_{5}]^{+}+H_{2}O\rightarrow [N_{2}H_{6}]^{2+}+OH^{-},\ \ K_{b}=8,4\cdot 10^{-16}}}}$

Известны соли гидразина — хлорид гидразиния N₂H₅Cl, сульфат гидразиния 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.

${\displaystyle {\mathsf {N_{2}H_{4}+HCl\rightarrow [N_{2}H_{5}]Cl}}}$

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:

${\displaystyle {\mathsf {4KMnO_{4}+5N_{2}H_{4}+6H_{2}SO_{4}\rightarrow 5N_{2}+4MnSO_{4}+2K_{2}SO_{4}+16H_{2}O}}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {N_{2}H_{4}+Zn+4HCl\rightarrow 2NH_{4}Cl+ZnCl_{2}}}}$

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)₂гипохлоритом натрия NaClO (метод Рашига):

${\displaystyle {\mathsf {NH_{3}+NaClO\rightarrow NH_{2}Cl+NaOH}}}$

${\displaystyle {\mathsf {NH_{2}Cl+NH_{3}\rightarrow N_{2}H_{4}\cdot HCl}}}$

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:

${\displaystyle {\mathsf {(NH_{2})_{2}CO+NaClO+2NaOH\rightarrow N_{2}H_{4}+H_{2}O+NaCl+Na_{2}CO_{3}}}}$

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

Применяется также метод Байера:

${\displaystyle {\mathsf {2NH_{3}+H_{2}O_{2}\rightarrow N_{2}H_{4}+2H_{2}O}}}$

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 распространённые формы, рецидивы и метастазы злокачественных опухолей — рак лёгкого (особенно немелкоклеточный), молочных желёз, желудка, поджелудочной железы, гортани, эндометрия, шейки матки, десмоидный рак, саркома мягких тканей, фибросаркома, нейробластома, лимфогранулематоз, лимфосаркома (монотерапия или в составе полихимиотерапии).

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.

Гидразин широко применяется в химической промышленности в качестве восстановителя кислорода, содержащегося в деминерализованной воде, применяемой для питания котлов (котельные установки, производства аммиака, слабой азотной кислоты и другое). При этом протекает следующая химическая реакция: N₂H₄ + O₂ = N₂ + 2H₂O.

Ракетное топливо

Во время Второй мировой войны гидразин применялся в Германии в качестве одного из компонентов топлива для реактивных истребителей «Мессершмитт Ме-163» (C-Stoff, содержащий до 30 % гидрата гидразина).

Гидразин и его производные (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.

• 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). В ракетно-космической сфере для обозначения чаще используют термин «удельный импульс тяги» (выражаемый в м/с) или просто «удельный импульс» (в секундах). Выраженная в м/с, эта величина характеризует скорость истечения реактивной струи (приблизительно, с учётом дополнительного слагаемого в формуле тяги ЖРД). Удельный импульс является важнейшей характеристикой совершенства ракетных двигателей. Зависит от типа применяемой топливной пары, схемы и конструкции двигателя и других параметров.

Токсичность

Гидразин и большинство его производных очень токсичны. Небольшие концентрации гидразина вызывают раздражение глаз, дыхательных путей. При повышении концентрации начинается головокружение, головная боль и тошнота. Далее следуют судороги, токсический отёк лёгких, а за ними — кома и смерть. ПДК в воздухе рабочей зоны = 0,1 мг/м³. Относится к первому классу опасности.

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — 4-е изд., испр. — М.: Высшая школа, 2003. — 743 с. — ISBN 5-06-003363-5.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. Учебное пособие для вузов. — 4-е изд., стер. — М.: Химия, 2000. — 592 с., ил. — ISBN 5-7245-1130-4; ББК 540 К 21; УДК 546(075.8).
• Третьяков Ю. Д. и др. 15.3.3.1. Водородные соединения азота и их производные. Гидразин. Гидроксиламин. // Неорганическая химия. Химия элементов: Учебник для вузов. В 2 книгах. Кн. II / Ю. Д. Третьяков, Л. И. Мартыненко, А. Н. Григорьев, А. Ю. Цивадзе. — М.: Химия, 2001. — С. 869-872. — 583 с., ил. — ISBN 5-7245-1214-9; ББК 24.1 (я 7); УДК 546 Т 66.
• Одрит Л., Огг Б. Химия гидразина = The Chemistry of Hydrazine. — М.: ИИЛ, 1954. — 238 с., ил.