Hidrazina: estrutura, propriedades, síntese, usos - Ciência - 2023

Contente

• Estrutura da hidrazina
• Molécula e ligação
• Geometrias
• Interações intermoleculares
• Propriedades da hidrazina
• Aparência física
• Massa molar
• Ponto de fusão
• Ponto de ebulição
• Densidade
• Densidade do vapor
• Pressão de vapor
• Solubilidade
• Momento dipolo
• Viscosidade
• Ponto de inflamação
• Temperatura de autoignição
• Decomposição
• Reatividade
• Basicidade
• Toxicidade
• Síntese
• Usos da hidrazina
• Referências

o hidrazina é um composto inorgânico cuja fórmula química é N₂H₄. Consiste em um membro da família do hidreto de nitrogênio, sendo a amônia o mais simples de todos. Embora sua molécula pareça simples, ela exibe várias propriedades químicas e físicas que tornam a hidrazina uma substância interessante e energeticamente promissora.

Tem uma grande semelhança com a água, pois ambas existem como substâncias líquidas em faixas de temperatura semelhantes. Da hidrazina podemos obter derivados orgânicos substituindo seus hidrogênios por grupos de carbono. Da mesma forma, hidrazonas, hidrazidas e sais de hidrazinas são sintetizados a partir dele.

Acima está a fórmula estrutural da hidrazina, que pode ser escrita como H₂NNH₂ ou H₂N-NH₂. Se você olhar de perto, parece que duas moléculas de NH₃ eles teriam se ligado. Porém, na formação da ligação N-N, não apenas as moléculas de amônia intervêm como reagentes.

A hidrazina é um composto que possui múltiplas aplicações, pois é um excelente precursor de inúmeros compostos, tanto orgânicos quanto inorgânicos. Da mesma forma, graças ao seu poder redutor e aos seus produtos de decomposição, é utilizado para eliminar oxigênio e outros gases, obter metais preciosos; e, especialmente, para alimentar espaçonaves e aeronaves de última geração.

Estrutura da hidrazina

Molécula e ligação

Na imagem superior temos a molécula de hidrazina representada por um modelo de esferas e barras. Observe que a orientação espacial dos átomos de hidrogênio, as esferas brancas, contrasta com a impressão dada pela fórmula estrutural; isto é, os hidrogênios de ambos -NH₂ eles não estão alinhados ou eclipsados, mas têm um ângulo de rotação de 95º.

Na verdade, é tanto que a ligação N-N mal consegue girar, tendo uma barreira de energia que deve ser superada para eclipsar os quatro átomos de hidrogênio.

Do que se trata? Em princípio, às fortes repulsões eletrônicas que os dois pares de elétrons solitários experimentam mutuamente nos átomos de nitrogênio. Este ângulo de 95º é o que dá à molécula de hidrazina a maior estabilidade.

Geometrias

Cada átomo de nitrogênio tem uma hibridização sp³, adotando uma geometria de pirâmide triangular. Portanto, com os pares de elétrons livres, a molécula de hidrazina poderia ser visualizada como duas pirâmides ligadas por um de seus vértices, e em cujos centros os átomos de nitrogênio estariam localizados.

Interações intermoleculares

Fórmula H₂NNH₂ Isso poderia dar a falsa idéia de que a hidrazina é um composto apolar porque tem dois grupos idênticos ligados. Porém, a estrutura molecular e sua ligação N-N girada mostram que a molécula não é totalmente simétrica, citando também que seus pares de elétrons livres não apontam em direções opostas.

Isso significa que a hidrazina, por ser estrutural e eletronicamente assimétrica, tem um momento de dipolo. E, portanto, suas moléculas interagem entre si por meio de forças dipolo-dipolo, especialmente usando ligações de hidrogênio, H₂NNH₂-NH₂NH₂, que são responsáveis ​​pela hidrazina ter um ponto de ebulição muito alto.

Propriedades da hidrazina

Aparência física

A hidrazina é um líquido incolor muito semelhante à água em viscosidade e densidade. Quando queima, emite fumaça branca, além de cheirar a amônia e peixe.

Massa molar

32,0452 g / mol

Ponto de fusão

2 ºC.

Ponto de ebulição

114 ° C Observe que a hidrazina existe no estado líquido dentro da faixa de temperatura de 2-114 ºC, muito semelhante à da água, 0-100 ºC.

Densidade

1.021 g / cm³

Densidade do vapor

1.1 em relação ao ar.

Pressão de vapor

Cerca de 0,010 atm a 30,7 ºC

Solubilidade

A hidrazina é miscível com água, bem como com vários álcoois primários. A hidrazina forma um hidrato com água, N₂H₄H₂Ou, que se caracteriza por ser mais densa que a hidrazina pura ou anidra. Esse hidrato é o produto mais comercializado, por ser mais estável e barato.

Momento dipolo

1,85 D. É uma substância bastante polar, quase igual à água.

Viscosidade

0,876 cP

Ponto de inflamação

52 ºC

Temperatura de autoignição

Varia dependendo das substâncias ou superfícies com as quais entra em contato. Por exemplo, em óxidos de ferro ele queima a 23ºC, enquanto em vidro ou outros recipientes não começa a inflamar até 270ºC.

Decomposição

Quando queimado no ar, ele se decompõe em óxidos de nitrogênio, NÃO_x. Mas no que diz respeito à sua decomposição catalítica, ou seja, acelerada por óxidos metálicos ou metais, obtêm-se produtos como amônia, nitrogênio e hidrogênio, e uma quantidade imensa de calor, que acabam formando uma chama ardente mas invisível.

Reatividade

A hidrazina é um bom redutor, pois ao se oxidar produz água e nitrogênio, compostos que não sofrem reações secundárias.

Por outro lado, a hidrazina é um nucleófilo, pois usa seus pares de elétrons livres para se ligar a outras moléculas orgânicas. Da mesma forma, ele pode sofrer a substituição de qualquer um de seus quatro hidrogênios por grupos alquil, como CH₃, para produzir derivados metilados: CH₃NHNH₂ ou (CH₃)₂NNH₂.

Reage com ácidos fortes para formar sais de hidrazínio, N₂H₅X, e de hidrazônio, N₂H₆X₂. Os últimos são os menos comuns. Sulfato de hidrazínio, [N₂H₅] HSO₄, é preparado pela reação de hidrato de hidrazina com ácido sulfúrico. 

Basicidade

A hidrazina é uma base mais fraca que a amônia:

N₂H₄(ac) + H₂O (l) ⇌ N₂H₅⁺(ac) + OH^–(ac)

K_b = 1.3·10^-6

Isso ocorre porque o hidrazínio ácido conjugado, N₂H₅⁺ ou H₃N⁺-NH₂, tem sua carga desestabilizada pelo efeito atrator do grupo NH₂; isto é, em vez de adicionar densidade eletrônica ao nitrogênio positivo, ele o remove.

A hidrazina é capaz de sofrer uma segunda protonação, muito menos provável, o que gera um ácido conjugado ainda mais instável:

N₂H₅⁺(ac) + H₂O (l) ⇌ N₂H₆⁺(ac) + OH^–(ac)

K_b = 8.4·10^-16

Hidrazônio, N₂H₆⁺ ou H₃N⁺-N⁺H₃, é muito instável por causa das repulsões entre as cargas positivas de ambos os átomos de nitrogênio. Porém, na companhia de certos ânions, pode existir como um sal.

Toxicidade

A hidrazina anidra é uma substância extremamente tóxica, cáustica e possivelmente carcinogênica, sem falar que é altamente explosiva, portanto, só deve ser manuseada sob rígidos protocolos de segurança.

Síntese

O método mais amplamente usado para sintetizar a hidrazina é o Processo Raschig. Isto consiste, em resumo, nas seguintes duas reações:

NH₃(ac) + NaOCl (ac) → NH₂Cl (aq) + NaOH (aq)

2NH₃(ac) + NH₂Cl (ac) → N₂H₄(ac) + NH₄Cl (ac)

No final, o hidrato N é formado₂H₄H₂Ou, que é destilado na presença de KOH ou NaOH como sólidos de secagem:

N₂H₄H₂O → N₂H₄

Desta forma, a hidrazina anidra é obtida e a ligação N-N é formada.

Usos da hidrazina

- A hidrazina, na presença de catalisadores metálicos, se decompõe exotermicamente para produzir nitrogênio e hidrogênio, fornecendo energia suficiente para abastecer aviões, foguetes e satélites.

- Essa tendência de se decompor e criar gases é utilizada justamente para inflar materiais poliméricos, como borracha ou polietileno, transformando-os em suas respectivas espumas.

- Da mesma forma, ao liberar gases, estes podem arrastar outros que se dissolvem nos líquidos nas tubulações, por isso é muito útil retirar o oxigênio das caldeiras, evitando assim a corrosão.

- A hidrazina é um material precursor de muitos compostos orgânicos com funções farmacológicas, antifúngicas, herbicidas, inseticidas, fertilizantes, etc. Isso se deve ao fato de que uma grande variedade de derivados cíclicos do nitrogênio são sintetizados a partir dele.

- Por fim, por ser um bom redutor, a hidrazina e seus sais de hidrazínio são utilizados na redução de minérios de metais preciosos, sendo de grande valor na indústria metalúrgica.

Referências

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hidrazina. Recuperado de: en.wikipedia.org
3. Centro Nacional de Informações sobre Biotecnologia. (2020). Hidrazina. Resumo do composto PubChem para CID 9321. Obtido em: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. Os editores da Encyclopaedia Britannica. (2020). Hidrazina. Encyclopaedia Britannica. Recuperado de: britannica.com
5. Iridium NEXT. (20 de junho de 2017). Hidrazina - Tóxico para humanos, mas os satélites adoram. Recuperado de: iridium.com