Z chemicznego punktu widzenia propan jest węglowodorem nasyconym o typowych właściwościach alkanów. Jednak w niektórych obszarach produkcji propan rozumiany jest jako mieszanina dwóch substancji – propanu i butanu. Następnie spróbujemy dowiedzieć się, czym jest propan i dlaczego jest mieszany z butanem.
Struktura cząsteczki
Każda cząsteczka propanu składa się z trzech atomów węgla połączonych ze sobą prostymi pojedynczymi wiązaniami i ośmiu atomów wodoru. Ma wzór cząsteczkowy C3H8. Wiązania C-C w propanie są kowalencyjne niepolarne, ale w parze C-H węgiel jest nieco bardziej elektroujemny i lekko przyciąga wspólną parę elektronów do siebie, co oznacza, że wiązanie jest kowalencyjne polarne. Cząsteczka ma strukturę zygzakowatą ze względu na fakt, że atomy węgla są w stanie hybrydyzacji sp3. Ale z reguły mówi się, że cząsteczka jest liniowa.
W cząsteczce butanu znajdują się cztery atomy węgla С4Н10 i ma dwa izomery: n-butan (ma struktura liniowa) i izobutan (mastruktura rozgałęziona). Często nie rozdzielają się po otrzymaniu, ale istnieją jako mieszanina.
Właściwości fizyczne
Propan to bezbarwny i bezwonny gaz. Bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie, ale dobrze rozpuszcza się w chloroformie i eterze dietylowym. Topi się w temperaturze tpl=-188 °С i wrze w temperaturze tkip=-42 °С. Staje się wybuchowy, gdy jego stężenie w powietrzu przekracza 2%.
Właściwości fizyczne propanu i butanu są bardzo zbliżone. Oba butany również w normalnych warunkach są w stanie gazowym i są bezwonne. Praktycznie nierozpuszczalny w wodzie, ale dobrze współdziała z rozpuszczalnikami organicznymi.
Następujące cechy tych węglowodorów są również ważne w przemyśle:
- Gęstość (stosunek masy do objętości ciała). Gęstość ciekłych mieszanin propan-butan w dużej mierze zależy od składu węglowodorów i temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury następuje ekspansja objętościowa i zmniejsza się gęstość cieczy. Wraz ze wzrostem ciśnienia, objętość ciekłego propanu i butanu ulega sprężeniu.
- Lepkość (zdolność substancji w stanie gazowym lub ciekłym do wytrzymania sił ścinających). Jest to determinowane przez siły adhezji cząsteczek w substancjach. Lepkość ciekłej mieszaniny propanu z butanem zależy od temperatury (wraz z jej wzrostem lepkość maleje), ale zmiana ciśnienia ma niewielki wpływ na tę charakterystykę. Gazy natomiast zwiększają swoją lepkość wraz ze wzrostem temperatury.
Odnajdywanie w naturze i uzyskiwanie metod
Głównymi naturalnymi źródłami propanu są ropa ipola gazowe. Jest zawarty w gazie ziemnym (od 0,1 do 11,0%) oraz w towarzyszących gazach naftowych. Dość dużo butanu uzyskuje się w procesie destylacji oleju - rozdzielając go na frakcje na podstawie temperatur wrzenia jego składników. Spośród chemicznych metod rafinacji ropy największe znaczenie ma kraking katalityczny, podczas którego następuje przerwanie łańcucha wielkocząsteczkowych alkanów. W tym przypadku propan stanowi około 16-20% wszystkich produktów gazowych tego procesu:
СΗ3-СΗ2-СΗ2-СΗ 2-СΗ2-СΗ2-СΗ2-СΗ 3 ―> СΗ3-СΗ2-СΗ3 + СН 2=CΗ-CΗ2-CΗ2-CΗ3
Duże ilości propanu powstają podczas uwodorniania różnych rodzajów węgla i smoły węglowej, osiągają 80% objętości wszystkich wytwarzanych gazów.
Spowszechnione jest również otrzymywanie propanu metodą Fischera-Tropscha, która opiera się na interakcji CO i H2 w obecności różnych katalizatorów w podwyższonej temperaturze i ciśnienie:
nCO + (2n + 1)Η2―> C Η2n+2 + nΗ2O
3CO + 7Η2―> C3Η8 + 3Η 2O
Przemysłowe objętości butanu są również izolowane podczas przetwarzania ropy i gazu metodami fizycznymi i chemicznymi.
Właściwości chemiczne
Od cech strukturalnych cząsteczekzależą od właściwości fizycznych i chemicznych propanu i butanu. Ponieważ są to związki nasycone, reakcje addycji nie są dla nich charakterystyczne.
1. reakcje podstawienia. Pod wpływem światła ultrafioletowego wodór jest łatwo zastępowany przez atomy chloru:
CH3-CH2-CH3 + Cl 2 ―> CH3-CH(Cl)-CH3 + HCl
Po podgrzaniu roztworem kwasu azotowego atom H jest zastępowany grupą NO2:
СΗ3-СΗ2-СΗ3 + ΗNIE 3 ―> СΗ3-СΗ (NIE2)-СΗ3 + H2O
2. Reakcje dekoltu. Po podgrzaniu w obecności niklu lub palladu dwa atomy wodoru zostają oddzielone, tworząc wielokrotne wiązanie w cząsteczce:
CΗ3-CΗ2-CΗ3 ―> CΗ 3-СΗ=СΗ2 + Η2
3. reakcje rozkładu. Gdy substancja zostanie podgrzana do temperatury około 1000 ° C, następuje proces pirolizy, któremu towarzyszy zerwanie wszystkich wiązań chemicznych obecnych w cząsteczce:
C3H8 ―> 3C + 4H2
4. reakcje spalania. Węglowodory te palą się niedymnym płomieniem, wydzielając dużą ilość ciepła. Jaki propan wie wiele gospodyń domowych korzystających z kuchenek gazowych. W wyniku reakcji powstaje dwutlenek węgla i para wodna:
C3N8 + 5O2―> 3CO 2 + 4H2O
Spalanie propanu w warunkach braku tlenu prowadzi do pojawienia się sadzy i powstania cząsteczek tlenku węgla:
2C3H8 + 7O2―> 6SO + 8H 2O
C3H8 + 2O2―> 3C + 4H2O
Aplikacja
Propan jest aktywnie wykorzystywany jako paliwo, ponieważ podczas spalania wydziela się 2202 kJ/mol ciepła, co jest wartością bardzo wysoką. W procesie utleniania z propanu otrzymuje się wiele substancji niezbędnych do syntezy chemicznej, np. alkohole, aceton, kwasy karboksylowe. Niezbędne jest uzyskanie nitropropanów stosowanych jako rozpuszczalniki.
Jako propelent stosowany w przemyśle spożywczym ma kod E944. W połączeniu z izobutanem jest stosowany jako nowoczesny, przyjazny dla środowiska czynnik chłodniczy.
Mieszanka propan-butan
Ma wiele zalet w porównaniu z innymi paliwami, w tym gazem ziemnym:
- wysoka wydajność;
- łatwy powrót do stanu gazowego;
- dobre parowanie i spalanie w temperaturze otoczenia.
Propan w pełni spełnia te właściwości, ale butany parują nieco gorzej, gdy temperatura spada do -40°C. Dodatki pomagają skorygować ten niedobór, z których najlepszym jest propan.
Mieszanka propan-butan jest stosowana do ogrzewania i gotowania, do spawania gazowego metali i ich cięcia, jako paliwo do pojazdów oraz do chemiisynteza.
