Гидразин

Гидразин — это неорганическое вещество, химическое соединение водорода и азота с формулой N₂H₄. Представляет собой бесцветную, дымящую на воздухе, гигроскопичную жидкость с резким аммиачным запахом. Гидразин и его производные широко используются в качестве ракетного топлива, компонента реактивов в химической промышленности, а также в медицине и металлургии. Вещество токсично, пожароопасно и обладает канцерогенными свойствами.

История открытия

Гидразин был впервые получен в 1887 году французским химиком Теодором Кюриусом (Théodore Curtius) при нагревании диазоуксусного эфира с щелочью. Однако чистый гидразин в значительных количествах удалось выделить лишь в 1894 году немецкому химику Эмилю Фишеру, который разработал метод синтеза из гидразинсульфата. В 1907 году российский химик Николай Зелинский предложил способ получения гидразина из аммиака и гипохлорита натрия, что стало основой промышленного производства.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Гидразин — бесцветная маслянистая жидкость, плотностью около 1,004 г/см³ (при 20 °C). Температура плавления составляет 2,0 °C, температура кипения — 113,5 °C. Вещество смешивается с водой, спиртами и аммиаком в любых пропорциях, образуя гидразингидрат (N₂H₄·H₂O). Водные растворы гидразина обладают щелочной реакцией.

Химические свойства

Гидразин является сильным восстановителем. Он легко окисляется кислородом воздуха, азотной кислотой, перекисью водорода и другими окислителями, выделяя большое количество тепла. При контакте с окислителями способен самовоспламеняться. Взаимодействует с кислотами, образуя соли — гидразиний-ионы (N₂H₅⁺). При нагревании разлагается на аммиак и азот, а в присутствии катализаторов — на азот и водород. Гидразин проявляет основные свойства, реагируя с водой с образованием гидразингидрата.

Получение

Основным промышленным методом получения гидразина является процесс, основанный на реакции аммиака с гипохлоритом натрия (или калия) в присутствии желатина или других стабилизаторов. Реакция протекает по схеме:

NH₃ + NaOCl → N₂H₄ + NaCl + H₂O

Выход гидразина при этом составляет около 60–70 %. Для очистки продукт перегоняют в вакууме или экстрагируют органическими растворителями. В лабораторных условиях гидразин получают взаимодействием гидразинсульфата с щелочью.

Существует также метод получения гидразина электролизом водных растворов аммиака, но он менее распространён из-за низкой производительности.

Применение

Ракетное топливо

Гидразин и его производные (например, несимметричный диметилгидразин — НДМГ) широко используются в качестве компонента жидкого ракетного топлива. Благодаря высокой теплоте сгорания и способности самовоспламеняться при контакте с окислителями (например, азотной кислотой или тетраоксидом азота), гидразин применяется в двигателях космических аппаратов, ракет-носителей и баллистических ракет. В России гидразин используется в топливных парах для ракет «Протон», «Союз» и других. В США гидразин применяется в двигателях системы управления ориентацией космических кораблей (например, Space Shuttle).

Химическая промышленность

Гидразин является важным сырьём для синтеза многих органических и неорганических соединений. Он используется для производства:

• Пестицидов — гидразиды и гидразины входят в состав гербицидов, инсектицидов и фунгицидов.
• Полимеров — в качестве катализатора и стабилизатора при производстве полиуретанов, полиамидов и эпоксидных смол.
• Взрывчатых веществ — гидразин и его производные (например, гидразиназид) применяются как компоненты инициирующих взрывчатых веществ.
• Фармацевтических препаратов — гидразиды используются для синтеза лекарственных средств, в том числе противотуберкулёзных (изониазид) и противоопухолевых.

Металлургия

Гидразин применяется для восстановления металлов из их оксидов и солей, а также для очистки поверхностей металлов от оксидных плёнок. В частности, его используют для получения чистого никеля, кобальта, меди и серебра. В гальванических процессах гидразин служит восстановителем для осаждения металлических покрытий.

Медицина

Производные гидразина (гидразиды) используются в качестве лекарственных средств. Наиболее известен изониазид — препарат для лечения туберкулёза. Также гидразины входят в состав некоторых противоопухолевых и антидепрессантных средств. Однако сам гидразин в чистом виде в медицине не применяется из-за высокой токсичности.

Другие области

• Водоподготовка — гидразин используется для удаления растворённого кислорода из воды в паровых котлах и теплообменниках, предотвращая коррозию.
• Аналитическая химия — гидразин и его соли применяются как реагенты для обнаружения и количественного определения некоторых металлов и органических соединений.
• Фотография — гидразин входит в состав некоторых проявителей и фиксаторов.

Токсичность и опасность

Гидразин является токсичным веществом, относящимся к 1-му классу опасности (чрезвычайно опасные вещества). Он поражает центральную нервную систему, печень, почки и кроветворные органы. При вдыхании паров гидразина возникают раздражение слизистых оболочек, головная боль, тошнота, судороги, возможен отёк лёгких. При попадании на кожу вызывает химические ожоги. Гидразин обладает канцерогенными свойствами — Международное агентство по изучению рака (МАИР) классифицирует его как возможный канцероген для человека (группа 2B).

Предельно допустимая концентрация (ПДК) гидразина в воздухе рабочей зоны составляет 0,1 мг/м³. Вещество легко воспламеняется, его пары образуют взрывоопасные смеси с воздухом. При работе с гидразином требуется использование средств индивидуальной защиты (противогазов, резиновых перчаток, защитных костюмов) и строгое соблюдение мер безопасности.

Экологические аспекты

Попадание гидразина в окружающую среду (почву, воду, воздух) представляет серьёзную экологическую опасность. В водных растворах гидразин медленно разлагается на аммиак и азот, но при высоких концентрациях может накапливаться в организмах водных животных и растений. В России и других странах существуют нормативы предельно допустимых сбросов гидразина в сточные воды. Утилизация отходов, содержащих гидразин, проводится путём сжигания или химической нейтрализации окислителями (например, гипохлоритом натрия).

Интересные факты

• Гидразин используется в качестве топлива для двигателей малой тяги на космических аппаратах, в том числе для коррекции орбиты Международной космической станции.
• В 1960-х годах в СССР разрабатывался проект «Гидразинового самолёта» — экспериментального летательного аппарата, работающего на гидразине, но проект не был реализован из-за высокой токсичности топлива.
• Гидразин входит в состав некоторых видов ракетного топлива, используемых в баллистических ракетах, в том числе в российских ракетах «Тополь» и «Ярс».

Источники

• Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 567–569.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия, 1994. — С. 432–435.
• Гидразин // Большая российская энциклопедия. — М.: БРЭ, 2007. — Т. 7. — С. 123–124.
• Справочник по ракетно-космической технике / Под ред. Г. А. Тюлина. — М.: Воениздат, 1984. — С. 89–91.
• Международное агентство по изучению рака (МАИР). Монографии по оценке канцерогенных рисков для человека. — Т. 71. — Лион, 1999. — С. 325–341.