A hidrazina
é um composto nitrogenado empregado como combustível de foguetes. Sua produção industrial é feita por meio do processo Raschig, em uma sequência de reações representadas nas equações balanceadas a seguir.
\(2 \mathrm{NaOH}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{Cl}_{2(\mathrm{al})}-\longrightarrow \mathrm{NaClO}_{(\mathrm{baq})}+\mathrm{NaCl}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{(\mathrm{bl}}\)
\(\mathrm{NaClO}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{NH}_{3(\mathrm{a})}-\longrightarrow \mathrm{NH}_{2} \mathrm{Cl}_{(\mathrm{a})}+\mathrm{NaOH}_{(\mathrm{aq})}\)
\(\mathrm{NH}_{2} \mathrm{Cl}_{(\mathrm{a})}+\mathrm{NaOH}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{NH}_{3(\mathrm{a})}-\longrightarrow \mathrm{N}_{2} \mathrm{H}_{4}(\mathrm{i})+\mathrm{NaCl}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{Ol}\)
a) Escreva a fórmula estrutural da hidrazina. Classifique o tipo de ligação química dos átomos de hidrogênio dessa molécula.
b) Apresente a equação balanceada da reação global do processo Raschig para a produção de hidrazina. Calcule a quantidade mínima de gás cloro, em mols, para a produção de 640 kg de hidrazina nesse processo.
\(2 \mathrm{NaOH}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{Cl}_{2(\mathrm{al})}-\longrightarrow \mathrm{NaClO}_{(\mathrm{baq})}+\mathrm{NaCl}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{(\mathrm{bl}}\)
\(\mathrm{NaClO}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{NH}_{3(\mathrm{a})}-\longrightarrow \mathrm{NH}_{2} \mathrm{Cl}_{(\mathrm{a})}+\mathrm{NaOH}_{(\mathrm{aq})}\)
\(\mathrm{NH}_{2} \mathrm{Cl}_{(\mathrm{a})}+\mathrm{NaOH}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{NH}_{3(\mathrm{a})}-\longrightarrow \mathrm{N}_{2} \mathrm{H}_{4}(\mathrm{i})+\mathrm{NaCl}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{Ol}\)
b) Apresente a equação balanceada da reação global do processo Raschig para a produção de hidrazina. Calcule a quantidade mínima de gás cloro, em mols, para a produção de 640 kg de hidrazina nesse processo.
Passo 1
Vou organizar claramente o que o enunciado pede e quais informações ele dá.
-
O enunciado pede duas coisas:
- (a) Escrever a fórmula estrutural da hidrazina e classificar o tipo de ligação química dos átomos de hidrogênio nessa molécula.
- (b) Apresentar a equação balanceada da reação global (soma das três etapas do processo Raschig fornecidas) e calcular a quantidade mínima de gás cloro, em mols, necessária para produzir
de hidrazina.
-
As três etapas fornecidas (reformularei em notação química clara):
- Dados numéricos para (b): massa de hidrazina desejada
.
A partir daqui vou:
- (a) desenhar a estrutura eletrônica e explicar o tipo de ligação dos hidrogênios passo a passo;
- (b) somar as reações para obter a equação global, balanceá-la (mostrando cancelamentos) e calcular os mols de
necessários para gerar de .
Passo 2
(a) Fórmula estrutural da hidrazina e explicação do desenho passo a passo.
-
A fórmula molecular da hidrazina é
. -
Estrutura estrutural simples (ligação entre os dois nitrogênios e cada nitrogênio ligado a dois hidrogênios):Esta fórmula representa dois átomos de nitrogênio ligados entre si por uma ligação simples
; cada nitrogênio tem duas ligações simples a átomos de hidrogênio. -
Agora uma explicação eletrônica curta (tipo “como desenhar a estrutura de Lewis”):
- Cada átomo de nitrogênio tem
elétrons de valência; cada hidrogênio tem . - Dois nitrogênios juntos fornecem
elétrons; quatro hidrogênios fornecem elétrons; total elétrons de valência. - Distribuindo elétrons para formar ligações simples e completar pares isolados, cada nitrogênio faz três ligações simples (duas com hidrogênios e uma com o outro nitrogênio) e fica com um par isolado (lone pair).
- Assim cada nitrogênio tem geometria aproximadamente tetraédrica deformada (piramidal) por causa do par isolado — isto é análogo à amônia.
- Cada átomo de nitrogênio tem
-
Tipo de ligação dos átomos de hidrogênio:
- Os hidrogênios estão ligados aos nitrogênios por ligações simples covalentes.
- Essas ligações são ligações covalentes polares, porque o nitrogênio é mais eletronegativo que o hidrogênio, ou seja, os elétrons compartilhados são puxados com mais intensidade para o nitrogênio.
- Em termos de eletronegatividade (valores de Pauling aproximados):
e . A diferença indica caráter covalente polar (não é tão grande para ser iônica). - Resumindo: cada átomo de hidrogênio está ligado por uma ligação covalente simples do tipo polar (
covalente polar).
Passo 3
(b) Montagem da equação global do processo Raschig — soma algébrica das três etapas e cancelamentos.
Vou somar as três equações dadas, e cancelar espécies que aparecem em ambos os lados.
Escrevendo novamente as três reações:
Somando membro a membro (LHS de todas e RHS de todas):
LHS total:
RHS total:
Agora cancelar termos iguais em ambos os lados:
-
cancela. -
cancela. - Um
cancela (porque há no LHS e no RHS).
Após cancelamentos o resultado é:
Verificação rápida do balanceamento (átomos):
- N:
do LHS ( ) → RHS: em . - H: LHS:
(de ) (de ) . RHS: em em . - Cl, Na, O também balanceiam — portanto a equação está correta e balanceada.
Passo 4
Cálculo da quantidade mínima de
necessária para produzir
de
.
Passos a seguir:
- Determinar a massa molar da hidrazina
. - Converter
para gramas e calcular o número de mols de . - Usar a estequiometria da equação global para achar mols de
necessários.
- Massa molar de
:
- Tomando massas atômicas aproximadas:
e . - Então:
- Converter massa e calcular mols:
- Massa desejada:
. - Número de mols de
:
- Estequiometria da reação global:
Da equação,
mol de
é produzido por
mol de
. Assim:
Portanto a quantidade mínima de gás cloro necessária é
.
Resposta
(a) Estrutura:
. Os átomos de hidrogênio estão ligados aos nitrogênios por ligações simples covalentes polares (
covalente polar).\n
(b) Equação global balanceada:
(b) Equação global balanceada:
Mols mínimos de
para produzir
de
:
.