Гидразин, гидроксиламин и азиды

9 заданий

Гидразин

Гидразин \(\ce{H2N-NH2}\) — «удвоенный аммиак» без двух атомов водорода: азот в степени окисления \(-2\). Бесцветная дымящая жидкость (т. кип. 114 °C), смешивается с водой.

Основание, но слабее аммиака: \(\ce{N2H4 + H2O <=> N2H5+ + OH-}\), \(K_b = 1{,}3\cdot10^{-6}\). Соли — сульфат гидразиния \(\ce{N2H6SO4}\) (урок 63).

Сильный восстановитель: азот \(-2 \to 0\), продукт — безвредный азот.

scienceГидразин в реакциях

\(\ce{2NH3 + NaClO -> N2H4 + NaCl + H2O}\) — синтез Рашига (1907).
\(\ce{N2H4 + O2 -> N2 + 2H2O}\) — горение; гидразин удаляет растворённый кислород из воды котлов электростанций.
\(\ce{N2H4 + 2I2 -> N2 + 4HI}\) — количественно (определение гидразина).
\(\ce{N2H4 + 4AgNO3 -> N2 + 4Ag + 4HNO3}\) — «серебряное зеркало».
\(\ce{C2H8N2 + 2N2O4 -> 2CO2 + 3N2 + 4H2O}\) — несимметричный диметилгидразин с тетраоксидом азота воспламеняется при контакте (гиперголическое топливо ракет «Протон»).

errorТоксичность

Гидразин и его производные («гептил») ядовиты и канцерогенны. Места падения ступеней ракет на этом топливе требуют дорогостоящей очистки — поэтому новые ракеты переходят на керосин, метан и водород.

Гидроксиламин

Гидроксиламин \(\ce{NH2OH}\) — аммиак, в котором один атом водорода заменён на OH; азот \(-1\). Неустойчивое вещество (т. пл. 33 °C), взрывоопасное при нагревании; используют его соли — \(\ce{[NH3OH]Cl}\), \(\ce{(NH3OH)2SO4}\).

Слабое основание (\(K_b = 9\cdot10^{-9}\) — слабее аммиака и гидразина: электроотрицательный кислород оттягивает электроны от азота).

Окислитель и восстановитель — промежуточная степень окисления:

с сильными окислителями окисляется до \(\ce{N2}\) или \(\ce{N2O}\);
с сильными восстановителями восстанавливается до \(\ce{NH3}\).

scienceРеакции гидроксиламина

\(\ce{2NH2OH + 4Fe^3+ -> N2O + 4Fe^2+ + 4H+ + H2O}\) — восстановитель.
\(\ce{2NH2OH + I2 + 2KOH -> N2 + 2KI + 4H2O}\) — в щелочной среде окисляется иодом.
\(\ce{NH2OH + 2Fe(OH)2 + H2O -> NH3 + 2Fe(OH)3}\) — окислитель в щелочной среде.
\(\ce{R2C=O + NH2OH -> R2C=NOH + H2O}\) — оксимы (путь к капролактаму и капрону).

boltРяд оснований

\(\ce{NH3}\) (\(K_b = 1{,}8\cdot10^{-5}\)) > \(\ce{N2H4}\) (\(1{,}3\cdot10^{-6}\)) > \(\ce{NH2OH}\) (\(9\cdot10^{-9}\)): чем более электроотрицательная группа заменяет водород (\(\ce{NH2}\), OH), тем слабее основание.

Азотистоводородная кислота и азиды

Азид-ион \(\ce{N3-}\) — линейная частица \(\ce{[N=N=N]^-}\), изоэлектронная \(\ce{CO2}\) и \(\ce{N2O}\) (16 валентных электронов). Средняя степень окисления азота \(-\tfrac13\).

Азотистоводородная кислота \(\ce{HN3}\) — слабая (\(pK_a = 4{,}7\), почти как уксусная), летучая, чрезвычайно взрывоопасная и ядовитая жидкость.

scienceАзиды

\(\ce{N2O + 2NaNH2 ->[190 °C] NaN3 + NaOH + NH3}\) — промышленный синтез азида натрия (Вислиценус).
\(\ce{2NaN3 ->[t] 2Na + 3N2}\) — подушки безопасности.
\(\ce{2NaN3 + Pb(NO3)2 -> Pb(N3)2 v + 2NaNO3}\) — азид свинца, капсюли-детонаторы.
\(\ce{NaN3 + H2SO4 -> NaHSO4 + HN3}\) — выделение кислоты (опасно!).
\(\ce{2NaN3 + 2HNO2 -> 3N2 + 2NO + 2NaOH}\) — остатки азида уничтожают азотистой кислотой (нитрит + кислота).

auto_awesomeПочему азиды взрываются

Разложение \(\ce{2N3- -> 3N2 + 2e-}\) выделяет огромную энергию: из «слабых» связей N=N образуются сверхпрочные тройные связи \(\ce{N#N}\). Азиды тяжёлых металлов (\(\ce{Pb}\), \(\ce{Ag}\), \(\ce{Cu}\)) взрываются от удара; азиды щелочных металлов разлагаются спокойно — поэтому \(\ce{NaN3}\) годится для подушек безопасности.

boltИзоэлектронные частицы

\(\ce{N3-}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{N2O}\), \(\ce{NO2+}\), \(\ce{OCN-}\), \(\ce{SCN-}\) — все линейные с 16 валентными электронами. Зная строение одной, предсказываете строение остальных.

push_pinГлавное

Гидразин \(\ce{N2H4}\) (N \(-2\)): слабое основание (\(K_b = 1{,}3\cdot10^{-6}\)), сильный восстановитель (\(\ce{N2H4 + O2 -> N2 + 2H2O}\)) — ракетное топливо, поглотитель кислорода; получают окислением аммиака гипохлоритом (Рашиг). Гидроксиламин \(\ce{NH2OH}\) (N \(-1\)): ещё более слабое основание, восстановитель и окислитель. Азотистоводородная кислота \(\ce{HN3}\) (средняя степень окисления \(-\tfrac13\), \(pK_a = 4{,}7\)); азид-ион линейный, изоэлектронный \(\ce{CO2}\); \(\ce{NaN3}\) — источник азота в подушках безопасности, \(\ce{Pb(N3)2}\) — инициирующее взрывчатое вещество.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.