Hydrazine
Lâhydrazine, de nom officiel diazane, de formule chimique N2H4 et de formule semi-dĂ©veloppĂ©e H2N-NH2, est un composĂ© chimique liquide incolore, avec une odeur rappelant celle de lâammoniac. Elle est miscible Ă l'eau en toutes proportions.
Hydrazine | |
Dimensions et modĂšle 3D de l'hydrazine |
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Identification | |
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Nom UICPA | hydrazine |
Synonymes |
diazane, diamine |
No CAS | |
No ECHA | 100.005.560 |
No CE | 206-114-9 |
PubChem | 8058 |
SMILES | |
InChI | |
Apparence | liquide hygroscopique, incolore, fumant, d'odeur Ăącre[1]. |
Propriétés chimiques | |
Formule | N2H4 |
Masse molaire[2] | 32,045 2 ± 0,000 7 g/mol H 12,58 %, N 87,42 %, |
Moment dipolaire | 1,75 D [3] |
DiamÚtre moléculaire | 0,390 nm [3] |
Propriétés physiques | |
T° fusion | 2 °C[1] |
T° ébullition | 114 °C[1] |
Solubilité | miscible à l'eau et aux solvants organiques polaires |
ParamÚtre de solubilité Ύ | 37,3 MPa1/2 (25 °C)[4]
36,2 J1/2·cm-3/2 (25 °C)[3] |
Masse volumique | 1 010 kg·m-3[1]
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Point dâĂ©clair | 38 °C (c.f.) [1] |
Limites dâexplosivitĂ© dans lâair | 1,8â100 %vol[1] |
Pression de vapeur saturante | anhydre : 21 mbar (20 °C), solution à 64 %m : |
Viscosité dynamique | 0,9 mPa·s à 25 °C |
Point critique | 147,0 bar, 379,85 °C [7] |
Thermochimie | |
S0gaz, 1 bar | 238,68 J·K-1·mol-1 [8] |
S0liquide, 1 bar | 121,52 J·K-1·mol-1 [8] |
ÎfH0gaz | 95,35 kJ·mol-1[8] |
ÎfH0liquide | 50,63 kJ·mol-1[8] |
ÎvapH° | 41,8 kJ·mol-1 (1 atm, 113,55 °C); 44,7 kJ·mol-1 (1 atm, 25 °C)[9] |
Cp | |
PCS | 667,1 kJ·mol-1 (25 °C, gaz)[10] |
PCI | â622,08 kJ·mol-1 (gaz)[8] |
Propriétés électroniques | |
1re énergie d'ionisation | 8,1 ± 0,15 eV (gaz)[11] |
Propriétés optiques | |
Indice de réfraction | 1,469 [3] |
Précautions | |
SGH[12] - [13] | |
Danger |
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SIMDUT[14] | |
B3, D1A, D2A, E, |
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NFPA 704 | |
Autre | Peut attaquer le systĂšme nerveux. Mortel Ă hautes doses. |
Transport[6] | |
Classification du CIRC | |
Groupe 2B : Peut-ĂȘtre cancĂ©rogĂšne pour l'homme[15] | |
Ăcotoxicologie | |
LogP | -3,1[1] |
Seuil de lâodorat | bas : 3 ppm haut : 4 ppm[16] |
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire. | |
Les hydrazines constituent également une famille de composés chimiques dérivés de l'hydrazine (H2N-NH2 par substitution d'un ou plus atomes H par des radicaux hydrocarbonés (par exemple la 2,4-dinitrophénylhydrazine).
La production annuelle de l'hydrazine est de 260 000 tonnes. La plus grande part de cette production est utilisée comme agent moussant pour la production de polymÚres expansés. Le reste de cette production se répartit dans différents secteurs comme la chimie organique pour la synthÚse de médicaments ou la chimie inorganique pour la production d'azoture de sodium, l'agent explosif de gonflage des « airbags » (coussins gonflables de sécurité). L'hydrazine est également utilisable comme carburant des moteurs de fusée.
Structure moléculaire et propriétés
La structure de l'hydrazine se prĂ©sente sous lâaspect de deux molĂ©cules dâammoniac accouplĂ©es lâune Ă lâautre par enlĂšvement d'un hydrogĂšne pour chacune des deux molĂ©cules. Chaque sous-unitĂ© -NH2 se prĂ©sente sous une forme pyramidale. La distance entre les deux atomes d'azote est de 145 pm et la molĂ©cule adopte une conformation anticlinale[17]. Le moment de rotation est le double de celui de lâĂ©thane. Ses propriĂ©tĂ©s structurelles ressemblent Ă celles du peroxyde d'hydrogĂšne gazeux, qui adopte une conformation « asymĂ©trique » analogue Ă une structure d'alcane linĂ©aire, avec un moment de rotation Ă©levĂ©.
Elle possĂšde les propriĂ©tĂ©s dâune base comparable Ă lâammoniaque, mais 15 fois plus faible.
Le substituant sur chaque amine rend le doublet électronique moins disponible pour capter un proton et donc moins basique[18]. L'hydrazine est un meilleur nucléophile que l'ammoniac à cause de la répulsion entre les doublets non liants des atomes d'azote adjacents[19].
- N2H4 + H+ â [N2H5]+ ; K = 8,5âŻĂâŻ10-7 (pour lâammoniaque, K = 1,78âŻĂâŻ10â5).
La deuxiĂšme protonation est plus difficile[20]:
- [N2H5]+ + H+ â [N2H6]2+ ; K = 8,4âŻĂâŻ10-16
L'hydrazine est un réducteur beaucoup plus fort en milieu basique qu'en milieu acide. (E=-0,23 V à pH=0 et E=-1,16 V à pH=14)[18]. Lorsque l'hydrazine réagit avec des oxydants, divers produits azotés peuvent se former mais en général, il s'agit de diazote. La réaction de l'hydrazine avec le dioxygÚne forme du diazote et de l'eau, tout en dégageant une grande quantité de chaleur.
L'hydrazine N2H4 se dégrade sous l'action de la chaleur et des rayons ultraviolets en azote N2, hydrogÚne H2 et ammoniac NH3.
Certains sels d'hydrazine sont explosifs : nitrate d'hydrazine, chlorate d'hydrazine, perchlorate d'hydrazine et azoture d'hydrazonium[21].
Propriétés physico-chimiques
L'hydrazine anhydre est un liquide incolore fumant à l'air avec une odeur aminée. Le seuil olfactif est de 3 ppm.
SynthĂšse
Theodor Curtius synthĂ©tisa lâhydrazine simple pour la premiĂšre fois en 1889 par un biais dĂ©tournĂ©[22].
Lâhydrazine est produite par le procĂ©dĂ© dâOlin Raschig Ă partir de lâhypochlorite de sodium et de l'ammoniac, une mĂ©thode inventĂ©e en 1907. Ce procĂ©dĂ© repose sur la rĂ©action des chloramines avec l'ammoniac[23].
- La monochloramine nécessaire étant préalablement produite par la réaction :
Une variante du procĂ©dĂ© dâOlin Raschig est l'oxydation de lâurĂ©e par lâhypochlorite de sodium [24]:
Dans le cycle Atofina-PCUK, l'hydrazine est fabriquĂ©e en plusieurs Ă©tapes Ă partir dâacĂ©tone, d'ammoniaque et de peroxyde d'hydrogĂšne. LâacĂ©tone et l'ammoniaque rĂ©agissent dâabord pour donner une imine, rĂ©action suivie dâune oxydation par le peroxyde d'hydrogĂšne en oxaziridine, un hĂ©tĂ©rocycle Ă trois atomes comportant un atome de carbone, un atome d'azote et un atome d'oxygĂšne, suivie dâune ammoniolyse qui conduit Ă lâhydrazone, un processus qui assemble deux atomes d'azote. Lâhydrazone rĂ©agit avec l'acĂ©tone en excĂ©dent, et l'acĂ©tone azine produite est hydrolysĂ©e pour former l'hydrazine, en rĂ©gĂ©nĂ©rant lâacĂ©tone. Contrairement au procĂ©dĂ© de Raschig, cette mĂ©thode ne gĂ©nĂšre pas de sel. PCUK est associĂ© Ă Ugine Kuhlmann, un fabricant français de produits chimiques[25].
Lâhydrazine peut aussi ĂȘtre produite par une mĂ©thode connue sous le nom de procĂ©dĂ© kĂ©tazine et peroxyde.
En 2001, Marc Strous, microbiologiste Ă l'universitĂ© de NimĂšgue aux Pays-Bas, a dĂ©couvert que l'hydrazine est produite par des levures et une bactĂ©rie ocĂ©anique, Brocadia anammoxidans, par une rĂ©action dâanammox rĂ©alisĂ©e dans des organites spĂ©cialisĂ©s appelĂ©s anammoxosomes. Ce sont les seuls organismes vivants actuellement connus capables de produire naturellement de lâhydrazine[26] - [27].
Dérivés
On connaĂźt de nombreux dĂ©rivĂ©s par substitution de lâhydrazine, et plusieurs dâentre eux sont produits naturellement. Quelques exemples :
- la gyromitrine (en) et lâagaritine (en) sont des phĂ©nylhydrazines retrouvĂ©es chez une espĂšce de champignons cultivĂ©s et commercialisĂ©s lâagaricus bisporus. La gyromitrine est mĂ©tabolisĂ©e en monomĂ©thylhydrazine ;
- lâiproniazide, lâhydralazine et la phĂ©nelzine (en) sont des mĂ©dicaments fabriquĂ©s Ă partir de lâhydrazine ;
- la 1,1-dimĂ©thylhydrazine (UDMH) et la 1,2-dimĂ©thylhydrazine (en) sont des hydrazines oĂč deux atomes d'hydrogĂšne sont remplacĂ©s par des groupes mĂ©thyles ;
- la 2,4-dinitrophénylhydrazine (2,4-DNPH) est couramment utilisée pour des tests sur les cétones et les aldéhydes en chimie organique ;
- la phénylhydrazine, C6H5NHNH2, est la premiÚre hydrazine à avoir été découverte.
Utilisation en chimie
Les hydrazines sont utilisĂ©es dans la synthĂšse de nombreuses molĂ©cules organiques et beaucoup dâentre elles ont une importance pratique dans lâindustrie pharmaceutique, comme antituberculeux, ainsi que dans les textiles comme colorant et dans la photographie.
On la trouve aussi dans l'industrie en général et plus particuliÚrement mélangée à l'eau alimentaire pour chaudiÚre vapeur. Elle a pour but de détruire les derniÚres molécules d'oxygÚne et ainsi éviter la corrosion des lignes de vapeur en acier.
RĂ©action avec les carbonyles
Pour illustrer la condensation de l'hydrazine avec un radical carbonyle, citons la rĂ©action avec lâacĂ©tone qui conduit Ă la formation de diisopropylidĂšne hydrazine. Celle-ci rĂ©agit encore avec l'hydrazine pour former une hydrazone [28]:
- 2 (CH3)2CO + N2H4 â 2 H2O + [(CH3)2C=N]2.
- [(CH3)2C=N]2 + N2H4 â 2 (CH3)2C=NâNH2.
L'acĂ©tone et la diisopropylidĂšne hydrazine sont des intermĂ©diaires dans la synthĂšse PCUK-Atofina. Lâalkylation directe des hydrazines avec les halogĂ©noalcanes en prĂ©sence dâune base forme des dĂ©rivĂ©s alkylĂ©s des hydrazines, mais la rĂ©action est gĂ©nĂ©ralement inefficace en raison dâun mauvais contrĂŽle sur le niveau de substitution (comme pour les Amines ordinaires). La rĂ©duction de lâhydrazone en hydrazine constitue une façon Ă©lĂ©gante de produire des hydrazines 1,1 dialkylĂ©es.
Dans une autre rĂ©action, la 2-cyanopyridine rĂ©agit avec l'hydrazine pour former des hydrazides amidĂ©es qui peuvent ĂȘtre converties en triazines en utilisant les 1,2-dicĂ©tones.
RĂ©action de Wolff-Kishner
Lâhydrazine est utilisĂ©e en chimie organique dans la rĂ©duction de Wolff-Kishner, une rĂ©action qui transforme le groupe carbonyle d'une cĂ©tone ou dâun aldĂ©hyde en pont mĂ©thylĂšne (ou groupe mĂ©thyle) par l'intermĂ©diaire d'une molĂ©cule dâhydrazone. La production de diazote trĂšs stable Ă partir de l'hydrazine favorise la rĂ©action.
SynthÚse des molécules polycycliques
Ayant deux fonctions amines, lâhydrazine est une piĂšce maĂźtresse pour la prĂ©paration de nombreux composĂ©s hĂ©tĂ©rocycliques via la condensation avec une partie possĂ©dant deux fonctions Ă©lectrophiles. Avec lâacĂ©tylacĂ©tone, il se condense pour donner le 3,5-dimĂ©thylpyrazole[29]. Dans la rĂ©action dâEinhorn-Brunner, les hydrazines rĂ©agissent avec les imides pour donner des triazoles.
Sulfonation
Ătant un bon nuclĂ©ophile, N2H4 est vulnĂ©rable Ă l'attaque des halogĂ©nures de sulfonyle et des halogĂ©nures d'acyle[30]. Le tosyl hydrazine forme aussi des hydrazones aprĂšs traitement avec des carbonyles.
DĂ©coupage des phthalimides
Lâhydrazine est utilisĂ©e pour dĂ©couper la N-phthalimide en dĂ©rivĂ©s alkylĂ©s. Cette rĂ©action de scission permet Ă lâanion phthalimide d'ĂȘtre utilisĂ© comme prĂ©curseur d'amine dans la synthĂšse de Gabriel[31].
Agent réducteur
Lâhydrazine est un rĂ©ducteur apprĂ©ciĂ© parce que ses sous-produits de dĂ©composition sont gĂ©nĂ©ralement l'azote gazeux et l'eau. Ainsi, elle est utilisĂ©e comme antioxydant, dĂ©sactiveur dâoxygĂšne et inhibiteur de corrosion dans l'eau des chaudiĂšres et des circuits de chauffage (dans ce rĂŽle, on lui prĂ©fĂšre dĂ©sormais la N,N-diĂ©thylhydroxylamine, de moindre toxicitĂ©, mais elle est encore abondamment utilisĂ©es contre la corrosion dans les grandes centrales thermiques et nuclĂ©aires notamment[32]). Elle est aussi utilisĂ©e pour rĂ©duire les sels de mĂ©taux et d'oxydes de mĂ©taux Ă lâĂ©tat mĂ©tallique dans lâĂ©lectrolyse du nickel ainsi que dans lâextraction du plutonium Ă partir de combustibles nuclĂ©aires usĂ©s.
Sels dâhydrazine
Lâhydrazine est convertie en sels solides au moyen dâun traitement par les acides minĂ©raux. Le sel le plus rĂ©pandu est l'hydrogĂ©nosulfate d'hydrazine, N2H5HSO4, qui devrait probablement ĂȘtre appelĂ© bisulfate dâhydrazine. Le bisulfate dâhydrazine est utilisĂ© comme traitement alternatif de la cachexie induite par le cancer. Le sel de l'hydrazine et de lâacide azothydrique N5H5 avait un intĂ©rĂȘt scientifique, en raison de sa forte teneur en azote et de ses propriĂ©tĂ©s explosives.
Utilisations industrielles
Lâhydrazine est utilisĂ©e dans de nombreux procĂ©dĂ©s, par exemple la production de fibres dâĂ©lasthanne, comme catalyseur de polymĂ©risation, agent gonflant, pour les piles Ă combustibles, comme flux de brasage pour le soudage, comme stabilisant dans certains procĂ©dĂ©s couleur argentiques, comme prolongateur de chaĂźne pour la polymĂ©risation du polyurĂ©thane, comme composĂ© rĂ©ducteur pour le conditionnement de l'eau des centrales thermiques et des circuits secondaires des centrales nuclĂ©aires et comme stabilisateur de chaleur. En outre, une technique utilisant des dĂ©pĂŽts d'hydrazine sur les semi-conducteurs a Ă©tĂ© rĂ©cemment expĂ©rimentĂ©e, avec une possible application Ă la fabrication des thin-film transistors utilisĂ©s pour les Ă©crans Ă cristaux liquides. Lâhydrazine en solution Ă 70 % avec 30 % d'eau est utilisĂ©e pour alimenter l'EPU (unitĂ© d'alimentation d'urgence), sur les avions de chasse F-16 (General Dynamics F-16 Fighting Falcon).
En usage militaire, un dĂ©rivĂ© de l'hydrazine, la dimĂ©thylhydrazine asymĂ©trique (UDMH), combinĂ© avec du nitrate d'ammonium est l'ingrĂ©dient de base de lâastrolite (en), un explosif extrĂȘmement puissant inventĂ© dans les annĂ©es 1960.
Carburant pour fusées
Lâhydrazine fut d'abord utilisĂ©e comme carburant pour fusĂ©es lors de la Seconde Guerre mondiale pour les avions Messerschmitt Me 163 (le premier avion-fusĂ©e), sous le nom de B-Stoff (en fait, de l'hydrate d'hydrazine). Ce B-Stoff Ă©tait mĂ©langĂ© Ă du mĂ©thanol (M-Stoff) pour donner du C-Stoff, lequel Ă©tait utilisĂ© comme carburant avec du T-Stoff, un concentrĂ© de peroxyde d'hydrogĂšne, utilisĂ© comme comburant au contact duquel il s'enflammait spontanĂ©ment en une rĂ©action trĂšs Ă©nergĂ©tique.
Aujourd'hui, l'hydrazine est utilisĂ©e gĂ©nĂ©ralement seule comme monergol dans les moteurs Ă faible poussĂ©e (mais grande prĂ©cision) permettant le positionnement sur orbite des satellites et des sondes spatiales ; dans ce cas, la poussĂ©e est assurĂ©e par dĂ©composition catalytique de l'hydrazine et non par combustion. Cette dĂ©composition est en effet une rĂ©action trĂšs exothermique. Elle est obtenue en faisant passer l'hydrazine sur un catalyseur dont le composant actif est l'iridium mĂ©tallique dĂ©posĂ© sur une grande surface dâalumine (oxyde d'aluminium), ou de nanofibres de carbone[33], ou plus rĂ©cemment le nitrure de molybdĂšne sur l'alumine[34], voire du nitrate de molybdĂšne. Sa dĂ©composition en ammoniac, diazote et dihydrogĂšne rĂ©sulte des rĂ©actions suivantes :
Cette dĂ©composition se dĂ©clenche en quelques millisecondes et permet de doser la poussĂ©e de façon trĂšs prĂ©cise. Ces rĂ©actions sont trĂšs exothermiques (le catalyseur de la chambre peut atteindre 800 °C en quelques millisecondes[33]), et produisent un gros volume de gaz chauds Ă partir dâun faible volume dâhydrazine liquide[34], ce qui en fait un bon propergol pour la propulsion spatiale.
Certains dĂ©rivĂ©s de l'hydrazine sont Ă©galement employĂ©s comme ergols liquides : la monomĂ©thylhydrazine H2NâNHCH3 (ou MMH), et la dimĂ©thylhydrazine asymĂ©trique, H2NâN(CH3)2 (ou UDMH). Ils sont gĂ©nĂ©ralement utilisĂ©s avec le peroxyde d'azote N2O4 comme oxydant, avec lequel ils forment un propergol liquide stockable hypergolique.
Piles Ă combustible
Le fabricant italien de catalyseur Acta a proposĂ© d'utiliser lâhydrazine comme solution alternative Ă l'hydrogĂšne dans les piles Ă combustibles. Le principal avantage de ce produit est sa capacitĂ© Ă produire plus de 200 mW/cm2, davantage quâune pile Ă hydrogĂšne similaire sans nĂ©cessitĂ© de recourir Ă de coĂ»teux catalyseurs contenant du platine. Comme le combustible est liquide Ă tempĂ©rature ambiante, il peut ĂȘtre manipulĂ© et stockĂ© plus facilement que l'hydrogĂšne. En stockant l'hydrazine dans un rĂ©servoir contenant un carbonyle avec une double liaison carbone oxygĂšne, le combustible rĂ©agit et forme une matiĂšre solide et sĂ»re appelĂ© hydrazone. Ensuite il suffit de remplir le rĂ©servoir avec de l'eau chaude pour libĂ©rer lâhydrate d'hydrazine sous forme liquide. La manipulation dâun combustible liquide est en pratique beaucoup plus sĂ»re que de celle de l'hydrogĂšne gazeux, et le liquide a un plus grand potentiel d'oxydo-rĂ©duction (1,56 V) comparativement Ă 1,23 V pour l'hydrogĂšne. La molĂ©cule dâhydrazine est cassĂ©e dans la pile pour former du diazote et des atomes d'hydrogĂšne qui se lient Ă un atome dâoxygĂšne pour former de lâeau[35].
Sécurité
Toxicité, écotoxicité
L'hydrazine est hautement toxique et dangereusement instable, surtout sous sa forme anhydre. On l'utilise généralement sous forme de monohydrate stable.
Les symptĂŽmes d'une exposition aiguĂ« Ă des niveaux Ă©levĂ©s d'hydrazine peuvent se manifester chez l'homme par l'irritation des yeux, du nez et de la gorge, des Ă©tourdissements, des cĂ©phalĂ©es, des nausĂ©es, un ĆdĂšme pulmonaire, des convulsions, un coma.
Une exposition aiguë peut également endommager le foie, les reins et le systÚme nerveux central chez l'homme.
Le liquide est corrosif et peut produire un eczéma de contact chez les humains et les animaux. Des effets nocifs pour les poumons, le foie, la rate et la thyroïde ont été rapportés chez des animaux exposés de façon chronique à l'hydrazine par inhalation. Une augmentation du nombre de cas de tumeur du poumon, de la cavité nasale, et du foie a été observée chez les rongeurs exposés à l'hydrazine.
Sa toxicité fait l'objet de réévaluations[36] périodiques, avec l'évolution des connaissances[37].
Un dĂ©rivĂ© de lâhydrazine a Ă©galement Ă©tĂ© mis en cause dans une Ă©tude scientifique, reliant la consommation dâun champignon contenant cette toxine Ă un cluster de cas de SLA (anciennement appelĂ©e maladie de Charcot)[38].
Références
- HYDRAZINE (anhydre), Fiches internationales de sécurité chimique
- Masse molaire calculĂ©e dâaprĂšs « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
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Articles connexes
Liens externes
- The Late Show with Rob! Tonightâs Special Guest: Hydrazine (PDF) â Robert Matunas
- xMSDS-Hydrazine-9924279 (PDF) â MSDS for hydrazine
- (fr) Fiche toxicologique de l'INRS
- (fr) Fiche internationale de sécurité