A hidrazina \left(\mathrm{N}_{2} \mathrm{H}_{4}\right) 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.

Passo 1

Vou organizar claramente o que o enunciado pede e quais informações ele dá.
  • O enunciado pede duas coisas:
    1. (a) Escrever a fórmula estrutural da hidrazina e classificar o tipo de ligação química dos átomos de hidrogênio nessa molécula.
    2. (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 640\\ \text{kg} de hidrazina.
  • As três etapas fornecidas (reformularei em notação química clara):
    \text{(1)}\quad 2\,\mathrm{NaOH}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{Cl}_{2(\mathrm{g})}\longrightarrow \mathrm{NaClO}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{NaCl}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}_{(\ell)}
\text{(2)}\quad \mathrm{NaClO}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{NH}_{3(\mathrm{aq})}\longrightarrow \mathrm{NH}_{2}\mathrm{Cl}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{NaOH}_{(\mathrm{aq})}
\text{(3)}\quad \mathrm{NH}_{2}\mathrm{Cl}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{NaOH}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{NH}_{3(\mathrm{aq})}\longrightarrow \mathrm{N}_{2}\mathrm{H}_{4(\ell)}+\mathrm{NaCl}_{(\mathrm{aq})}+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}_{(\ell)}
  • Dados numéricos para (b): massa de hidrazina desejada =640\\ \text{kg}.
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 \mathrm{Cl}_2 necessários para gerar 640\\ \text{kg} de \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4.

Passo 2

(a) Fórmula estrutural da hidrazina e explicação do desenho passo a passo.
  • A fórmula molecular da hidrazina é \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4.
  • Estrutura estrutural simples (ligação entre os dois nitrogênios e cada nitrogênio ligado a dois hidrogênios):
    \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}-\mathrm{NH}_{2}
    Esta fórmula representa dois átomos de nitrogênio ligados entre si por uma ligação simples \mathrm{N}-\mathrm{N}; cada nitrogênio tem duas ligações simples a átomos de hidrogênio.
  • Agora uma explicação eletrônica curta (tipo “como desenhar a estrutura de Lewis”):
    1. Cada átomo de nitrogênio tem 5 elétrons de valência; cada hidrogênio tem 1.
    2. Dois nitrogênios juntos fornecem 2\times5=10 elétrons; quatro hidrogênios fornecem 4\times1=4 elétrons; total 14 elétrons de valência.
    3. 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).
    4. Assim cada nitrogênio tem geometria aproximadamente tetraédrica deformada (piramidal) por causa do par isolado — isto é análogo à amônia.
  • 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): \chi(\mathrm{N})\approx 3{,}0 e \chi(\mathrm{H})\approx 2{,}1. A diferença \Delta\chi\approx 0{,}9 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 ( \mathrm{N}-\mathrm{H} 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:
\text{(1)}\quad 2\,\mathrm{NaOH}+\mathrm{Cl}_2\longrightarrow \mathrm{NaClO}+\mathrm{NaCl}+\mathrm{H}_2\mathrm{O}
\text{(2)}\quad \mathrm{NaClO}+\mathrm{NH}_3\longrightarrow \mathrm{NH}_2\mathrm{Cl}+\mathrm{NaOH}
\text{(3)}\quad \mathrm{NH}_2\mathrm{Cl}+\mathrm{NaOH}+\mathrm{NH}_3\longrightarrow \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4+\mathrm{NaCl}+\mathrm{H}_2\mathrm{O}
Somando membro a membro (LHS de todas e RHS de todas):
LHS total:
3\,\mathrm{NaOH} + \mathrm{Cl}_2 + \mathrm{NaClO} + \mathrm{NH}_2\mathrm{Cl} + 2\,\mathrm{NH}_3
RHS total:
\mathrm{NaClO} + \mathrm{NH}_2\mathrm{Cl} + \mathrm{NaOH} + \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4 + 2\,\mathrm{NaCl} + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}
Agora cancelar termos iguais em ambos os lados:
  • \mathrm{NaClO} cancela.
  • \mathrm{NH}_2\mathrm{Cl} cancela.
  • Um \mathrm{NaOH} cancela (porque há 3\,\mathrm{NaOH} no LHS e 1\,\mathrm{NaOH} no RHS).
Após cancelamentos o resultado é:
2\,\mathrm{NaOH} + \mathrm{Cl}_2 + 2\,\mathrm{NH}_3 \longrightarrow \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4 + 2\,\mathrm{NaCl} + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}
Verificação rápida do balanceamento (átomos):
  • N: 2 do LHS ( 2\times\mathrm{NH}_3) → RHS: 2 em \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4.
  • H: LHS: 2\times1 (de 2\,\mathrm{NaOH}) + 2\times3 (de 2\,\mathrm{NH}_3) =2+6=8. RHS: 4 em \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4 + 2\times2 em 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} =4+4=8.
  • Cl, Na, O também balanceiam — portanto a equação está correta e balanceada.

Passo 4

Cálculo da quantidade mínima de \mathrm{Cl}_2 necessária para produzir 640\\ \text{kg} de \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4.
Passos a seguir:
  1. Determinar a massa molar da hidrazina \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4.
  2. Converter 640\\ \text{kg} para gramas e calcular o número de mols de \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4.
  3. Usar a estequiometria da equação global para achar mols de \mathrm{Cl}_2 necessários.
  1. Massa molar de \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4:
  • Tomando massas atômicas aproximadas: \mathrm{N}=14{,}0\\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}} e \mathrm{H}=1{,}0\\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}.
  • Então: M(\mathrm{N}_2\mathrm{H}_4)=2\times 14{,}0 + 4\times 1{,}0 = 28{,}0 + 4{,}0 = 32{,}0\\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}.
  1. Converter massa e calcular mols:
  • Massa desejada: 640\\ \text{kg}=640\,000\\ \text{g}.
  • Número de mols de \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4: n(\mathrm{N}_2\mathrm{H}_4)=\frac{640\,000\\ \mathrm{g}}{32{,}0\\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}}=20\,000\\ \mathrm{mol}.
  1. Estequiometria da reação global:
2\,\mathrm{NaOH}+\mathrm{Cl}_2+2\,\mathrm{NH}_3\longrightarrow \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4+2\,\mathrm{NaCl}+2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}
Da equação, 1 mol de \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4 é produzido por 1 mol de \mathrm{Cl}_2. Assim:
n(\mathrm{Cl}_2)=n(\mathrm{N}_2\mathrm{H}_4)=20\,000\\ \mathrm{mol}.
Portanto a quantidade mínima de gás cloro necessária é 20\,000\\ \mathrm{mol}.

Resposta

(a) Estrutura: \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}-\mathrm{NH}_{2}. Os átomos de hidrogênio estão ligados aos nitrogênios por ligações simples covalentes polares ( \mathrm{N}-\mathrm{H} covalente polar).\n
(b) Equação global balanceada:
2\,\mathrm{NaOH}+\mathrm{Cl}_2+2\,\mathrm{NH}_3\longrightarrow \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4+2\,\mathrm{NaCl}+2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}
Mols mínimos de \mathrm{Cl}_2 para produzir 640\\ \text{kg} de \mathrm{N}_2\mathrm{H}_4: 20\,000\\ \mathrm{mol}.