Hidrazina: estructura, propiedades, síntesis, usos

La hidrazina es un compuesto inorgánico cuya fórmula química es N₂H₄. Consiste de un miembro de la familia de los hidruros de nitrógeno, siendo el amoníaco el más simple de todos. Aunque su molécula aparenta sencillez, exhibe varias propiedades químicas y físicas que hacen de la hidrazina una sustancia interesante y energéticamente prometedora.

Guarda una estrecha semejanza con el agua, pues ambas existen como sustancias líquidas en intervalos de temperaturas similares. De la hidrazina podemos obtener derivados orgánicos mediante la sustitución de sus hidrógenos por grupos carbonados. Asimismo, de ella se sintetizan hidrazonas, hidrazidas, y sales de hidrazinas.

Arriba se aprecia la fórmula estructural de la hidrazina, la cual puede escribirse como H₂NNH₂ o H₂N-NH₂. Si se observa detenidamente, pareciera que dos moléculas de NH₃ se hubieran enlazado entre sí. Sin embargo, en la formación del enlace N-N no solo intervienen moléculas de amoníaco como reactivos.

La hidrazina es un compuesto que posee múltiples aplicaciones, debido a que es un excelente precursor para sinfines de compuestos, tanto orgánicos como inorgánicos. Igualmente, gracias a su poder reductor y sus productos de descomposición, se le destina para eliminar oxígeno y otros gases, obtener metales preciosos; y especialmente, para impulsar naves espaciales y aviones de última generación.

Índice del artículo

• 1 Estructura de la hidracina
  • 1.1 Molécula y enlace
  • 1.2 Geometrías
  • 1.3 Interacciones intermoleculares
• 2 Propiedades de la hidracina
  • 2.1 Apariencia física
  • 2.2 Masa molar
  • 2.3 Punto de fusión
  • 2.4 Punto de ebullición
  • 2.5 Densidad
  • 2.6 Densidad del vapor
  • 2.7 Presión de vapor
  • 2.8 Solubilidad
  • 2.9 Momento dipolar
  • 2.10 Viscosidad
  • 2.11 Punto de destello
  • 2.12 Temperatura de autoignición
  • 2.13 Descomposición
  • 2.14 Reactividad
  • 2.15 Basicidad
  • 2.16 Toxicidad
• 3 Síntesis
• 4 Usos de la hidracina
• 5 Referencias

Estructura de la hidracina

Molécula y enlace

En la imagen superior tenemos la molécula de hidrazina representada por un modelo de esferas y barras. Nótese que la orientación espacial de los átomos de hidrógeno, las esferas blancas, contrasta con la impresión que ofrece la fórmula estructural; es decir, los hidrógenos de ambos -NH₂ no se encuentran alineados o eclipsados, sino que presentan entre sí un ángulo de rotación de 95º.

De hecho, es tanto así, que el enlace N-N apenas es capaz de rotar, habiendo una barrera energética que debe vencerse para poder eclipsar los cuatro átomos de hidrógenos.

¿A qué se debe esto? En principio, a las fuertes repulsiones electrónicas que experimentan mutuamente los dos pares de electrones solitarios sobre los átomos de nitrógeno. Este ángulo de 95º es el que le confiere a la molécula de hidrazina la mayor estabilidad.

Geometrías

Cada átomo de nitrógeno posee una hibridación sp³, adoptando una geometría pirámide triangular. Por lo tanto, con los pares de electrones libres se podría visualizar la molécula de hidracina como dos pirámides enlazadas por uno de sus vértices, y en cuyos centros se localizarían los átomos de nitrógeno.

Interacciones intermoleculares

La fórmula H₂NNH₂ pudiera dar la falsa idea de que la hidrazina se trata de un compuesto apolar por tener dos grupos iguales enlazados. Sin embargo, la estructura molecular y su enlace N-N rotado muestran que la molécula no es por completo simétrica, mencionando además que sus pares de electrones libres no apuntan en direcciones contrarias.

Esto significa que la hidrazina, al ser asimétrica estructural y electrónicamente, presenta un momento dipolar. Y por lo tanto, sus moléculas interaccionan unas con otras mediante fuerzas dipolo-dipolo, especialmente utilizando puentes de hidrógeno, H₂NNH₂—NH₂NH₂, los cuales son los responsables de que la hidrazina tenga un punto de ebullición muy alto.

Propiedades de la hidracina

Apariencia física

La hidrazina es un líquido incoloro muy parecido al agua en lo que concierne a viscosidad y densidad. Al arder emite vapores blancos, además de que hiede a amoníaco y pescado.

Masa molar

32.0452 g/mol

Punto de fusión

2 ºC.

Punto de ebullición

114 ºC. Nótese que la hidrazina existe en estado líquido dentro del intervalo de temperaturas 2-114 ºC, muy similar al del agua, 0-100 ºC.

Densidad

1.021 g/cm³

Densidad del vapor

1.1 en relación al aire.

Presión de vapor

Alrededor de 0.010 atm a 30.7 ºC

Solubilidad

La hidrazina es miscible con el agua, así como con varios alcoholes primarios. La hidrazina forma con el agua un hidrato, N₂H₄·H₂O, el cual se caracteriza por ser más denso que la hidrazina pura o anhidra. Este hidrato es el producto que más se comercializa, ya que es más estable y barato.

Momento dipolar

1.85 D. Es una sustancia bastante polar, casi igual que el agua.

Viscosidad

0.876 cP

Punto de destello

52 ºC

Temperatura de autoignición

Varía dependiendo de las sustancias o superficies con las que entra en contacto. Por ejemplo, sobre los óxidos de hierro arde a 23 ºC, mientras que sobre el vidrio u otros contenedores no empieza a inflamarse sino hasta 270 ºC.

Descomposición

Cuando arde en el aire se descompone en óxidos de nitrógeno, NO_x. Pero en lo que respecta a su descomposición catalítica, es decir, aquella acelerada por óxidos metálicos o metales, se obtienen productos tales como amoníaco, nitrógeno e hidrógeno, y una inmensa cantidad de calor, que terminan formando una llama ardiente pero invisible.

Reactividad

La hidrazina es un buen agente reductor, ya que al oxidarse produce agua y nitrógeno, ambos compuestos que no sufren reacciones secundarias.

Por otro lado, la hidrazina es un nucleófilo, pues utiliza sus pares de electrones libres para unirse a otras moléculas orgánicas. Asimismo, puede sufrir sustitución de cualquiera de sus cuatro hidrógenos por grupos alquílicos, como el CH₃, para producir derivados metilados: CH₃NHNH₂ o (CH₃)₂NNH₂.

Reacciona con los ácidos fuertes para formar sales de hidrazinio, N₂H₅X, y de hidrazonio, N₂H₆X₂. Estas últimas son las menos comunes. El sulfato de hidrazinio, [N₂H₅]HSO₄, se prepara haciendo reaccionar el hidrato de hidrazina con el ácido sulfúrico. 

Basicidad

La hidrazina es una base más débil que el amoníaco:

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

K_b = 1.3·10^-6

Esto se debe a que el ácido conjugado hidrazinio, N₂H₅⁺ o H₃N⁺-NH₂, tiene su carga desestabilizada por el efecto atractor del grupo NH₂; es decir, en lugar de aportar densidad electrónica al nitrógeno positivo, la retira.

La hidrazina es capaz de sufrir una segunda protonación, mucho menos probable, la cual genera un ácido conjugado todavía más inestable:

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

K_b = 8.4·10^-16

El hidrazonio, N₂H₆⁺ o H₃N⁺-N⁺H₃, es muy inestable a causa de las repulsiones entre las cargas positivas de ambos átomos de nitrógeno. Sin embargo, en compañía de ciertos aniones puede existir como una sal.

Toxicidad

La hidrazina anhidra es una sustancia extremadamente tóxica, cáustica, y posiblemente cancerígena, sin mencionar que es muy explosiva, por lo que solamente se debe manipular bajo estrictos protocolos de seguridad.

Síntesis

El método más utilizado para sintetizar la hidrazina es el Proceso Raschig. Este consta, resumidamente, de las siguientes dos reacciones:

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

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

Al final se forma el hidrato N₂H₄·H₂O, el cual se destila en presencia de KOH o NaOH como sólidos secantes:

N₂H₄·H₂O → N₂H₄

De esta manera se obtiene la hidrazina anhidra y se forma el enlace N-N.

Usos de la hidracina

– La hidrazina, en presencia de catalizadores metálicos, se descompone exotérmicamente para producir nitrógeno e hidrógeno, suministrando así la energía suficiente para impulsar aviones, cohetes y satélites.

– Esta tendencia a descomponerse y originar gases se utiliza precisamente para inflar materiales poliméricos, como el caucho o el polietileno, convirtiéndolos en sus respectivas espumas.

– Asimismo, al liberar gases estos pueden arrastrar otros que se encuentran disueltos en los líquidos de las tuberías, por lo que es muy útil para eliminar el oxígeno de las calderas, evitando así que se corroan.

– La hidrazina es un material precursor para muchos compuestos orgánicos con funciones farmacológicas, antifungicidas, herbicidas, insecticidas, fertilizantes, etc. Esto se debe a que de ella se sintetizan una gran variedad de derivados nitrogenados cíclicos.

– Finalmente, al ser un buen agente reductor, la hidrazina y sus sales de hidrazinio se usan para reducir los minerales de los metales preciosos, siendo de gran valor en la industria metalúrgica.

Referencias

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgánica. (Cuarta edición). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hydrazine. Recuperado de: en.wikipedia.org
3. National Center for Biotechnology Information. (2020). Hydrazine. PubChem Compound Summary for CID 9321. Recuperado de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2020). Hydrazine. Encyclopaedia Britannica. Recuperado de: britannica.com
5. Iridium NEXT. (20 de junio de 2017). Hydrazine – Toxic for humans, but satellites love it. Recuperado de: iridium.com