Z hlediska chemie je propan nasycený uhlovodík s typickými vlastnostmi alkanů. V některých oblastech výroby je však propan chápán jako směs dvou látek – propanu a butanu. Dále se pokusíme zjistit, co je propan a proč se mísí s butanem.
Struktura molekuly
Každá molekula propanu se skládá ze tří atomů uhlíku spojených jednoduchými jednoduchými vazbami a osmi atomů vodíku. Má molekulární vzorec C3H8. C-C vazby v propanu jsou kovalentní nepolární, ale v C-H páru je uhlík o něco elektronegativnější a mírně přitahuje společný elektronový pár k sobě, což znamená, že vazba je kovalentně polární. Molekula má klikatou strukturu díky skutečnosti, že atomy uhlíku jsou ve stavu sp3-hybridizace. Ale zpravidla se říká, že molekula je lineární.
V molekule butanu jsou čtyři atomy uhlíku С4Н10 a má dva izomery: n-butan (má lineární struktura) a isobutan (mározvětvená struktura). Často se při příjmu neoddělují, ale existují jako směs.
Fyzikální vlastnosti
Propan je bezbarvý plyn bez zápachu. Velmi špatně se rozpouští ve vodě, ale dobře se rozpouští v chloroformu a diethyletheru. Taje při tpl=-188 °С a vře při tkip=-42 °С. Stane se výbušným, když jeho koncentrace ve vzduchu překročí 2 %.
Fyzikální vlastnosti propanu a butanu jsou si velmi blízké. Oba butany mají také za normálních podmínek plynné skupenství a jsou bez zápachu. Prakticky nerozpustný ve vodě, ale dobře interaguje s organickými rozpouštědly.
Následující vlastnosti těchto uhlovodíků jsou také důležité v průmyslu:
- Hustota (poměr hmotnosti k objemu tělesa). Hustota kapalných propanbutanových směsí je z velké části dána složením uhlovodíků a teplotou. Jak teplota stoupá, dochází k objemové expanzi a hustota kapaliny klesá. Se zvyšujícím se tlakem se objem kapalného propanu a butanu stlačuje.
- Viskozita (schopnost látek v plynném nebo kapalném stavu odolávat smykovým silám). Je určena silami adheze molekul v látkách. Viskozita kapalné směsi propanu s butanem závisí na teplotě (s jejím nárůstem viskozita klesá), ale změna tlaku má na tuto charakteristiku malý vliv. Plyny na druhé straně zvyšují svou viskozitu s rostoucí teplotou.
Hledání v přírodě a získávání metod
Hlavními přírodními zdroji propanu jsou ropa aplynová pole. Je obsažen v zemním plynu (od 0,1 do 11,0 %) a v souvisejících ropných plynech. Poměrně hodně butanu se získává v procesu destilace oleje - jeho rozdělením na frakce na základě bodů varu jeho složek. Z chemických metod rafinace ropy má největší význam katalytické krakování, při kterém se přeruší řetězec vysokomolekulárních alkanů. V tomto případě propan tvoří asi 16-20 % všech plynných produktů tohoto procesu:
СΗ3-СΗ2-СΗ2-СΗ 2-СΗ2-СΗ2-СΗ2-СΗ 3 ―> СΗ3-СΗ2-СΗ3 + СН 2=CΗ-CΗ2-CΗ2-CΗ3
Při hydrogenaci různých druhů uhlí a černouhelného dehtu vzniká velké množství propanu, které dosahuje 80 % objemu všech vyprodukovaných plynů.
Rozšířené je také získávání propanu Fischer-Tropschovou metodou, která je založena na interakci CO a H2 v přítomnosti různých katalyzátorů při zvýšené teplotě a tlak:
nCO + (2n + 1)Η2 ―> C Η2n+2 + nΗ2O
3CO + 7Η2 ―> C3Η8 + 3Η 2O
Průmyslové objemy butanu jsou také izolovány během zpracování ropy a plynu fyzikálními a chemickými metodami.
Chemické vlastnosti
Ze strukturních vlastností molekulzávisí na fyzikálních a chemických vlastnostech propanu a butanu. Protože se jedná o nasycené sloučeniny, nejsou pro ně charakteristické adiční reakce.
1. substituční reakce. Působením ultrafialového světla je vodík snadno nahrazen atomy chloru:
CH3-CH2-CH3 + Cl 2 ―> CH3-CH(Cl)-CH3 + HCl
Při zahřívání s roztokem kyseliny dusičné je atom H nahrazen skupinou NO2:
СΗ3-СΗ2-СΗ3 + ΗNE 3 ―> СΗ3-СΗ (NO2)-СΗ3 + H2O
2. Štěpné reakce. Při zahřívání v přítomnosti niklu nebo palladia se odštěpí dva atomy vodíku a vytvoří se násobná vazba v molekule:
CΗ3-CΗ2-CΗ3 ―> CΗ 3-СΗ=СΗ2 + Η2
3. rozkladné reakce. Při zahřátí látky na teplotu asi 1000 °C dochází k procesu pyrolýzy, který je doprovázen porušením všech chemických vazeb přítomných v molekule:
C3H8 ―> 3C + 4H2
4. spalovací reakce. Tyto uhlovodíky hoří nedýmavým plamenem, přičemž se uvolňuje velké množství tepla. Jaký propan je známý mnoha ženám v domácnosti, které používají plynové sporáky. Reakcí vzniká oxid uhličitý a vodní pára:
C3N8 + 5O2―> 3CO 2 + 4H2O
Spalování propanu v podmínkách nedostatku kyslíku vede ke vzniku sazí a tvorbě molekul oxidu uhelnatého:
2C3H8 + 7O2―> 6SO + 8H 2O
C3H8 + 2O2―> 3C + 4H2O
Aplikace
Propan se aktivně používá jako palivo, protože při jeho spalování se uvolňuje 2202 kJ/mol tepla, což je velmi vysoké číslo. V procesu oxidace se z propanu získává mnoho látek nezbytných pro chemickou syntézu, například alkoholy, aceton, karboxylové kyseliny. Je nutné získat nitropropany používané jako rozpouštědla.
Jako pohonná látka používaná v potravinářském průmyslu má kód E944. Ve směsi s isobutanem se používá jako moderní, ekologické chladivo.
Směs propan-butanu
Má mnoho výhod oproti jiným palivům, včetně zemního plynu:
- vysoká účinnost;
- snadný návrat do plynného stavu;
- dobré odpařování a spalování při okolní teplotě.
Propan tyto vlastnosti plně splňuje, ale butany se při poklesu teploty na -40°C odpařují poněkud hůře. Tento nedostatek pomáhají napravit přísady, z nichž nejlepší je propan.
Směs propan-butanu se používá pro vytápění a vaření, pro svařování kovů a jejich řezání plynem, jako palivo pro vozidla a pro chemickésyntéza.
