Несимметричный диметилгидразин

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ, 1,1-диметилгидразин, «гептил») — органическое соединение, производное гидразина, в котором два атома водорода замещены метильными группами. Представляет собой бесцветную, гигроскопичную, легковоспламеняющуюся жидкость с резким аммиачным запахом. Относится к классу гидразинов, является высокотоксичным веществом первого класса опасности. Широко применяется в ракетной технике в качестве высококипящего горючего для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а также как компонент топлива для космических аппаратов и межконтинентальных баллистических ракет.

История

Синтез несимметричного диметилгидразина впервые был осуществлён в 1937 году немецким химиком Гансом Штолле (Hans Stolle) при взаимодействии гидразина с формальдегидом. В 1940-х годах, в ходе Второй мировой войны, в Германии велись работы по созданию высокоэнергетических ракетных топлив, в рамках которых НДМГ рассматривался как перспективный компонент. Однако промышленное производство и широкое применение соединение получило только в 1950-е годы, в период активного развития ракетной техники в СССР и США.

В Советском Союзе НДМГ получил название «гептил» (от греч. ἑπτά — семь, по числу атомов углерода в молекуле исходного вещества, из которого его получали — диметилформамида). В 1950-х годах под руководством академика В. П. Глушко были разработаны технологии промышленного синтеза НДМГ, и он стал основным горючим для многих советских ракетных систем, включая межконтинентальные баллистические ракеты Р-7, Р-9А, Р-36, а также для ракет-носителей «Протон», «Космос», «Циклон» и других. В США НДМГ (известный как UDMH — Unsymmetrical Dimethylhydrazine) применялся в ракетных системах «Титан», «Атлас», а также в двигателях космических аппаратов, например, в лунном модуле «Аполлон».

Физические и химические свойства

Физические свойства

• Молекулярная формула: C₂H₈N₂
• Молярная масса: 60,10 г/моль
• Внешний вид: бесцветная жидкость
• Температура плавления: −57,2 °C
• Температура кипения: +63,9 °C
• Плотность (при 20 °C): 0,791 г/см³
• Давление насыщенного пара (при 20 °C): 13,7 кПа (103 мм рт. ст.)
• Растворимость: смешивается с водой, спиртами, эфирами, углеводородами в любых соотношениях
• Температура самовоспламенения: 249 °C
• Пределы взрываемости в воздухе: 2,5–78 % по объёму

Химические свойства

НДМГ является сильным основанием (pKb ≈ 6,2), проявляет свойства восстановителя. Взаимодействует с кислотами с образованием солей. Окисляется до азота, воды, диоксида углерода и других продуктов. В присутствии кислорода воздуха способен к самовоспламенению. С азотной кислотой и её производными (например, тетраоксидом диазота) образует самовоспламеняющиеся топливные пары, что делает его удобным компонентом для ЖРД.

Получение

Основной промышленный способ получения НДМГ — синтез из диметиламина и хлорамина (или его производных) по реакции Рашига: (CH₃)₂NH + NH₂Cl → (CH₃)₂N-NH₂ + HCl

Второй распространённый метод — восстановление диметилнитрозамина (CH₃)₂N-NO с помощью водорода в присутствии катализатора (никеля, меди или платины). Ранее также применялся метод, основанный на взаимодействии гидразина с формальдегидом, но он менее экономичен.

В России крупнейшим производителем НДМГ является Казанский завод органического синтеза (КЗОС), а также предприятия в Дзержинске и Перми. Производство НДМГ строго контролируется из-за высокой токсичности и опасности процесса.

Применение

Ракетное топливо

Основная область применения НДМГ — использование в качестве горючего в жидкостных ракетных двигателях. В паре с окислителем (тетраоксид диазота, азотная кислота) он образует высокоэнергетическое, самовоспламеняющееся топливо. Это позволяет упростить конструкцию двигателя (отсутствие системы зажигания) и обеспечивает многократное включение, что критически важно для космических аппаратов и межпланетных станций.

НДМГ применяется в следующих ракетных системах:

• Ракеты-носители: «Протон» (Россия), «Циклон» (Украина/Россия), «Космос-3М» (Россия), «Лонг Марч» (Китай, некоторые модификации)
• Межконтинентальные баллистические ракеты: Р-36М (СССР/Россия), «Воевода» (Россия), «Титан II» (США)
• Космические аппараты: двигатели коррекции орбиты и ориентации спутников, межпланетных зондов (например, «Марс-3», «Венера-15», «Кассини»)
• Пилотируемые корабли: двигатели системы ориентации кораблей «Союз» и «Прогресс»

Другие применения

В ограниченных масштабах НДМГ используется как:

• Компонент в синтезе некоторых лекарственных средств (например, противотуберкулёзных препаратов)
• Промежуточный продукт в производстве пестицидов и гербицидов
• Добавка к топливам для повышения цетанового числа дизельного топлива (в экспериментальных целях)
• Реагент в аналитической химии для определения карбонильных соединений

Токсичность и опасность

Несимметричный диметилгидразин является высокотоксичным веществом первого класса опасности. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 0,1 мг/м³, в атмосферном воздухе населённых мест — 0,001 мг/м³. НДМГ обладает выраженным общетоксическим, канцерогенным и мутагенным действием.

Пути воздействия

• Ингаляционный (пары)
• Пероральный (при проглатывании)
• Через кожу (всасывание)

Симптомы отравления

При остром отравлении наблюдаются: головная боль, головокружение, тошнота, рвота, судороги, потеря сознания, поражение печени и почек. Хроническое воздействие вызывает поражение центральной нервной системы, печени, почек, крови, а также повышает риск развития онкологических заболеваний.

Экологическая опасность

НДМГ устойчив в окружающей среде, способен накапливаться в почве, воде и растениях. При попадании в водоёмы вызывает гибель гидробионтов. Разложение НДМГ в природных условиях происходит медленно, с образованием токсичных продуктов (нитрозодиметиламин, диметиламин). Особую опасность представляют районы падения отработавших ступеней ракет-носителей, где возможно загрязнение почвы и грунтовых вод.

Критика и проблемы

Экологические последствия

Использование НДМГ в ракетной технике вызывает серьёзную критику со стороны экологов и общественности. В районах падения ступеней ракет-носителей «Протон» (Казахстан, Алтайский край, Архангельская область) неоднократно фиксировались случаи загрязнения почвы и воды гептилом, что приводило к заболеваниям местного населения и гибели животных. Наиболее известные инциденты:

• Загрязнение районов падения ступеней ракет «Протон» в Карагандинской области Казахстана (1990-е — 2000-е годы)
• Авария ракеты-носителя «Протон-М» в 2013 году на космодроме Байконур, приведшая к разливу около 600 тонн НДМГ и тетраоксида диазота
• Утечки гептила при падении ступеней ракет «Циклон» в Архангельской области

Поиск альтернатив

В связи с высокой токсичностью НДМГ ведутся работы по замене его на менее опасные горючие. В России разрабатывается ракетное топливо на основе синтетического керосина и кислорода (например, для ракет-носителей «Союз-2» и «Ангара»). В США и Европе НДМГ постепенно вытесняется криогенными топливами (жидкий водород, метан) и экологически чистыми компонентами (например, гидразин с низким содержанием примесей). Однако из-за высокой эффективности, простоты хранения и возможности длительного хранения в баках космических аппаратов НДМГ продолжает использоваться в двигателях малой тяги и на космических аппаратах.

Интересные факты

• НДМГ является одним из немногих жидких ракетных топлив, которые могут храниться в баках ракет в течение многих лет без разложения, что делает его незаменимым для межконтинентальных баллистических ракет, находящихся на боевом дежурстве.
• При сгорании НДМГ в атмосфере образуются токсичные оксиды азота, что дополнительно усугубляет экологическую проблему.
• В СССР НДМГ использовался не только в ракетной технике, но и в качестве компонента топлива для экспериментальных самолётов с жидкостными ракетными двигателями (например, БИ-1).
• НДМГ способен самовоспламеняться при контакте с некоторыми окислителями, что делает его опасным в обращении, но удобным для двигателей многократного включения.
• В 2000-х годах в Казахстане разрабатывались проекты по утилизации и нейтрализации гептила в местах падения ступеней ракет, однако масштабного решения проблемы до сих пор не найдено.

Источники

• ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Справочник по ракетным топливам / Под ред. В. П. Глушко. — М.: Воениздат, 1963.
• Моисеев, А. А. Токсикология гидразина и его производных. — М.: Медицина, 1975.
• Отчёт о воздействии ракетно-космической деятельности на окружающую среду Казахстана. — Алматы: Министерство экологии и природных ресурсов Республики Казахстан, 2005.
• Космическая деятельность и экология: проблемы и решения / Под ред. В. А. Меньшикова. — М.: Наука, 2010.