هیدرازین هیدرات از صفر تا صد

هیدرازین یک ترکیب معدنی با فرمول شیمیایی N2H4 است. این یک هیدرید پنیکتوژن ساده است و یک مایع قابل اشتعال بی رنگ با بویی شبیه آمونیاک است. هیدرازین بسیار سمی است مگر اینکه در محلول مانند هیدرات هیدرازین (N2H4·xH2O) استفاده شود.

هیدرازین عمدتاً به عنوان یک عامل کف‌ساز در تهیه فوم‌های پلیمری استفاده می‌شود، اما کاربردهای آن نیز شامل استفاده از آن به عنوان پیش‌ساز داروها و مواد شیمیایی کشاورزی و همچنین یک پیشرانه قابل ذخیره طولانی‌مدت برای رانش فضاپیماهای فضایی است. علاوه بر این، هیدرازین در سوخت های مختلف موشک و برای تهیه پیش سازهای گاز مورد استفاده در کیسه های هوا استفاده می شود. هیدرازین در هر دو چرخه بخار نیروگاه های هسته ای و معمولی به عنوان یک جاذب اکسیژن برای کنترل غلظت اکسیژن محلول در تلاش برای کاهش خوردگی استفاده می شود. تا سال 2000، تقریباً 120000 تن هیدرات هیدرازین (مطابق با محلول 64 درصدی هیدرازین در آب بر حسب وزن) در سرتاسر جهان در سال تولید می شد.

هیدرازین ها به دسته ای از مواد آلی اطلاق می شوند که از جایگزینی یک یا چند اتم هیدروژن در هیدرازین با یک گروه آلی بدست می آیند.

علم لغات

نامگذاری یک شکل دو ظرفیتی است، با پیشوند hydr- برای نشان دادن حضور اتم های هیدروژن و پسوندی که با -az- شروع می شود، از azote، کلمه فرانسوی نیتروژن.

برنامه های کاربردی

تولیدکنندگان گاز و پیشرانه ها

بیشترین کاربرد هیدرازین به عنوان پیش ماده دمنده است. ترکیبات خاص شامل آزودی کربنامید و آزوبیسیزوبوتیرونیتیل است که 100 تا 200 میلی لیتر گاز در هر گرم پیش ساز تولید می کند. در یک کاربرد مرتبط، سدیم آزید، عامل تشکیل دهنده گاز در کیسه های هوا، از هیدرازین با واکنش با نیتریت سدیم تولید می شود.

هیدرازین همچنین به عنوان یک پیشرانه قابل ذخیره طولانی مدت در وسایل نقلیه فضایی مانند ماموریت داون به سرس و وستا و برای کاهش غلظت اکسیژن محلول در و کنترل pH آب مورد استفاده در دیگهای بزرگ صنعتی استفاده می شود. جت جنگنده F-16، Eurofighter Typhoon، شاتل فضایی، و هواپیمای جاسوسی U-2 از هیدرازین برای سوخت سیستم استارت اضطراری خود در صورت توقف موتور استفاده می کنند.

پیش ساز آفت کش ها و داروها

فلوکونازول که با استفاده از هیدرازین سنتز می شود، یک داروی ضد قارچ است.

هیدرازین پیش ساز چندین دارو و آفت کش است. اغلب این کاربردها شامل تبدیل هیدرازین به حلقه های هتروسیکلیک مانند پیرازول ها و پیریدازین ها می شود. نمونه‌هایی از مشتقات بیواکتیو هیدرازین تجاری عبارتند از: سفازولین، ریزاتریپتان، آناستروزول، فلوکونازول، متازاکلر، متامیترون، متریبوزین، پاکلوبوترازول، دیکلوبوتازول، پروپیکونازول، سولفات هیدرازین، دی‌یمید، تری‌آزی‌نزو،  دی‌هیدرازیل و دی‌بی‌نزو.

ترکیبات هیدرازین می توانند به عنوان مواد موثره در حشره کش ها، کنه کش ها، نماتد کش ها، قارچ کش ها، عوامل ضد ویروسی، جذب کننده ها، علف کش ها یا تنظیم کننده های رشد گیاه موثر باشند.

مقیاس کوچک، طاقچه و تحقیق

سازنده کاتالیزور ایتالیایی Acta (شرکت شیمیایی) استفاده از هیدرازین را به عنوان جایگزینی برای هیدروژن در سلول های سوختی پیشنهاد کرده است. مزیت اصلی استفاده از هیدرازین این است که می تواند بیش از 200 میلی وات بر سانتی متر مربع بیشتر از یک سلول هیدروژنی مشابه بدون نیاز به کاتالیزورهای پلاتین (گران قیمت) تولید کند. از آنجایی که سوخت در دمای اتاق مایع است، می‌توان آن را راحت‌تر از هیدروژن حمل و نگهداری کرد. با ذخیره هیدرازین در یک مخزن مملو از کربونیل کربن-اکسیژن با پیوند دوگانه، سوخت واکنش نشان می دهد و جامد ایمن به نام هیدرازون را تشکیل می دهد. با شستشوی مخزن با آب گرم، هیدرات هیدرازین مایع آزاد می شود. هیدرازین در مقایسه با 1.23 ولت برای هیدروژن، نیروی الکتروموتور 1.56 ولت بالاتری دارد. هیدرازین در سلول تجزیه می شود و نیتروژن و هیدروژن را تشکیل می دهد که با اکسیژن پیوند می یابد و آب آزاد می کند. هیدرازین در پیل های سوختی تولید شده توسط شرکت آلیس-چالمرز، از جمله برخی که در دهه 1960 نیروی برق را در ماهواره های فضایی تامین می کردند، استفاده می شد.

مخلوطی از 63% هیدرازین، 32% نیترات هیدرازین و 5% آب یک پیشران استاندارد برای توپخانه آزمایشی پیشران مایع با بار فله است. مخلوط پیشرانه بالا یکی از قابل پیش بینی ترین و پایدارترین مخلوط ها است که در حین شلیک دارای مشخصات فشار صاف است. آتش‌سوزی‌ها معمولاً به دلیل احتراق ناکافی ایجاد می‌شوند. حرکت پوسته پس از اشتعال نادرست باعث ایجاد حباب بزرگی با سطح اشتعال بزرگتر می شود و سرعت بیشتر تولید گاز باعث فشار بسیار بالا می شود که گاهی شامل خرابی لوله های فاجعه بار (یعنی انفجار) می شود. از ژانویه تا ژوئن 1991، آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده بازبینی برنامه‌های تفنگ پیشران مایع با حجم اولیه را برای ارتباط احتمالی با برنامه نیروی محرکه شیمیایی الکتروترمال انجام داد.

نیروی هوایی ایالات متحده (USAF) به طور مرتب از H-70، یک مخلوط آب 70 درصد هیدرازین 30 درصد، در عملیات هایی با استفاده از هواپیمای جنگنده جنرال داینامیکس F-16 "Fighting Falcon" و هواپیمای شناسایی لاکهید U-2 "Dragon Lady" استفاده می کند. . تک موتور جت F-16 از هیدرازین برای تامین انرژی واحد برق اضطراری خود (EPU) استفاده می کند که برق و هیدرولیک اضطراری را فراهم می کند.

در صورت خاموش شدن شعله موتور. EPU به صورت خودکار یا دستی توسط کنترل خلبان در صورت از دست دادن فشار هیدرولیک یا نیروی الکتریکی فعال می شود تا کنترل پرواز اضطراری را فراهم کند. موتور جت تکی U-2 از هیدرازین برای راه اندازی سیستم راه اندازی اضطراری خود (ESS) استفاده می کند، که روشی بسیار قابل اعتماد برای راه اندازی مجدد موتور در پرواز در صورت توقف ارائه می دهد.[16]

سوخت موشک

هیدرازین بی آب (خالص، نه در محلول) در حال بارگیری در کاوشگر فضایی MESSENGER (ماموریت شناسایی مداری سیاره عطارد). تکنسین یک لباس ایمنی در فشار بیش از حد با یک منبع هوای خارجی پوشیده است.

هیدرازین اولین بار در طول جنگ جهانی دوم به عنوان جزئی در سوخت موشک استفاده شد. ترکیب 30 درصد وزنی با 57 درصد متانول (به نام M-Stoff در آلمانی Luftwaffe) و 13 درصد آب توسط آلمانی ها C-Stoff نامیده می شد. این مخلوط برای تامین انرژی هواپیمای جنگنده موشکی Messerschmitt Me 163B استفاده شد که در آن از پراکسید پراکسید آلمانی T-Stoff به عنوان اکسید کننده استفاده شد. هیدرازین مخلوط نشده توسط آلمانی ها به عنوان B-Stoff نامیده می شد، نامی که بعداً برای سوخت اتانول/آب برای موشک V-2 استفاده شد.

هیدرازین به عنوان یک پیشرانه کم مصرف برای پیشرانه های مانور فضاپیماها استفاده می شود و برای تامین انرژی واحدهای قدرت کمکی شاتل فضایی (APU) استفاده می شود. علاوه بر این، موتورهای موشکی با سوخت هیدرازین تک پیشران اغلب در فرود پایانه فضاپیماها استفاده می شود. چنین موتورهایی در فرودگرهای برنامه وایکینگ در دهه 1970 و همچنین فرودگرهای مریخ فینیکس (مه 2008)، کنجکاوی (اوت 2012) و استقامت (فوریه 2021) مورد استفاده قرار گرفتند.

مخلوطی از هیدرازین و اسید نیتریک گازدار قرمز (HNO3 + N2H4) در برنامه فضایی شوروی مورد استفاده قرار گرفت که در آنجا به دلیل ماهیت خطرناک آن به عنوان زهر شیطان شناخته می شد.

در همه موتورهای تک پیشرانه هیدرازین، هیدرازین از روی کاتالیزوری مانند فلز ایریدیوم که توسط آلومینا با سطح بالا (اکسید آلومینیوم) پشتیبانی می شود، عبور داده می شود که باعث تجزیه آن به آمونیاک (NH3)، گاز نیتروژن (N2) و گاز هیدروژن (H2) با توجه به سه واکنش زیر:

واکنش 1: N2H4 → N2 + 2 H2

واکنش 2: 3 N2H4 → 4 NH3 + N2

واکنش 3: 4 NH3 + N2H4 → 3 N2 + 8 H2

دو واکنش اول بسیار گرمازا هستند (محفظه کاتالیزور می تواند در عرض چند میلی ثانیه به 800 درجه سانتیگراد برسد،) و حجم زیادی از گاز داغ را از حجم کمی مایع تولید می کنند،  که هیدرازین را به یک رانشگر نسبتاً کارآمد تبدیل می کند. پیشرانه ای با تکانه مخصوص خلاء حدود 220 ثانیه. واکنش 2 گرمازاترین واکنش است، اما تعداد مولکول های کمتری نسبت به واکنش 1 تولید می کند. واکنش 3 گرماگیر است و اثر واکنش 2 را به همان اثر واکنش 1 به تنهایی برمی گرداند (دمای کمتر، تعداد مولکول های بیشتر). ساختار کاتالیزور بر نسبت NH3 که در واکنش 3 تفکیک می شود تأثیر می گذارد. دمای بالاتر برای رانشگرهای موشکی مطلوب است، در حالی که مولکول های بیشتری زمانی مطلوب هستند که واکنش ها برای تولید مقادیر بیشتری گاز در نظر گرفته شود.

از آنجایی که هیدرازین یک ماده جامد زیر 2 درجه سانتیگراد است، به عنوان یک پیشران موشک برای کاربردهای نظامی مناسب نیست. انواع دیگر هیدرازین که به عنوان سوخت موشک استفاده می شود، مونو متیل هیدرازین، CH3NHNH2، همچنین به عنوان MMH (نقطه ذوب -52 درجه سانتیگراد)، و دی متیل هیدرازین نامتقارن، (CH3)2NNH2، همچنین به عنوان UDMH (نقطه ذوب -57 درجه سانتیگراد) شناخته می شود. این مشتقات در سوخت های موشک دو جزئی، اغلب همراه با تتروکسید دی نیتروژن، N2O4 استفاده می شود. مخلوط 50:50 وزنی از هیدرازین و UDMH در موتور سیستم پیشرانه سرویس ماژول فرماندهی و سرویس آپولو، هر دو موتور صعود و فرود ماژول قمری آپولو و ICBM های Titan II استفاده شده است و به عنوان Aerozine 50 شناخته می شود. [17] این واکنش ها به شدت گرمازا هستند و سوزش نیز هایپرگولیک است (بدون هیچ اشتعال خارجی شروع به سوختن می کند).

تلاش‌های مداومی در صنعت هوافضا برای یافتن جایگزینی برای هیدرازین، با توجه به ممنوعیت احتمالی آن در سراسر اتحادیه اروپا وجود دارد. جایگزین‌های امیدوارکننده شامل ترکیب‌های پیشران مبتنی بر اکسید نیتروژن است که توسعه آن توسط شرکت‌های تجاری Dawn Aerospace، Impulse Space،] و Launcher انجام می‌شود. اولین سیستم مبتنی بر اکسید نیتروژن که تا به حال در فضا پرواز کرد توسط D-Orbit در حامل ماهواره یون آنها در سال 2021، با استفاده از شش رانشگر Dawn Aerospace B20 انجام شد.