No ķīmijas viedokļa propāns ir piesātināts ogļūdeņradis ar tipiskām alkānu īpašībām. Tomēr dažās ražošanas jomās ar propānu saprot divu vielu – propāna un butāna – maisījumu. Tālāk mēs mēģināsim noskaidrot, kas ir propāns un kāpēc tas ir sajaukts ar butānu.
Molekulas struktūra
Katra propāna molekula sastāv no trim oglekļa atomiem, kas viens ar otru saistīti ar vienkāršām saitēm, un astoņiem ūdeņraža atomiem. Tam ir molekulārā formula C3H8. C-C saites propānā ir kovalentas nepolāras, bet C-H pārī ogleklis ir nedaudz vairāk elektronegatīvs un nedaudz velk kopējo elektronu pāri pret sevi, kas nozīmē, ka saite ir kovalenta polāra. Molekulai ir zigzaga struktūra, jo oglekļa atomi atrodas sp3-hibridizācijas stāvoklī. Bet parasti tiek uzskatīts, ka molekula ir lineāra.
Butāna molekulā ir četri oglekļa atomi С4Н10, un tai ir divi izomēri: n-butāns (ir lineāra struktūra) un izobutāns (irsazarota struktūra). Bieži vien tie pēc saņemšanas neatdalās, bet pastāv kā maisījums.
Fizikālās īpašības
Propāns ir bezkrāsaina un bez smaržas gāze. Tas ļoti slikti šķīst ūdenī, bet labi šķīst hloroformā un dietilēterī. Tas kūst pie tpl=-188 °С un vārās pie tkip=-42 °С. Tas kļūst sprādzienbīstams, ja tā koncentrācija gaisā pārsniedz 2%.
Propāna un butāna fizikālās īpašības ir ļoti tuvas. Abiem butāniem normālos apstākļos ir arī gāzveida stāvoklis un tie ir bez smaržas. Praktiski nešķīst ūdenī, bet labi mijiedarbojas ar organiskiem šķīdinātājiem.
Nozarē svarīgas ir arī šādas šo ogļūdeņražu īpašības:
- Blīvums (ķermeņa masas un tilpuma attiecība). Šķidrā propāna-butāna maisījumu blīvumu lielā mērā nosaka ogļūdeņražu sastāvs un temperatūra. Temperatūrai paaugstinoties, notiek tilpuma izplešanās un šķidruma blīvums samazinās. Palielinoties spiedienam, šķidrā propāna un butāna tilpums tiek saspiests.
- Viskozitāte (gāzveida vai šķidrā stāvoklī esošo vielu spēja pretoties bīdes spēkiem). To nosaka vielās esošo molekulu saķeres spēki. Šķidra propāna un butāna maisījuma viskozitāte ir atkarīga no temperatūras (tai palielinoties, viskozitāte samazinās), bet spiediena izmaiņas šo raksturlielumu ietekmē maz. No otras puses, gāzes palielina savu viskozitāti, palielinoties temperatūrai.
Atrast dabā un iegūt metodes
Galvenie dabiskie propāna avoti ir eļļa ungāzes lauki. To satur dabasgāze (no 0,1 līdz 11,0%) un saistītajās naftas gāzēs. Diezgan daudz butāna tiek iegūts eļļas destilācijas procesā - sadalot to frakcijās, pamatojoties uz tā sastāvdaļu viršanas punktiem. No naftas pārstrādes ķīmiskajām metodēm vislielākā nozīme ir katalītiskajam krekingam, kura laikā tiek pārrauta lielmolekulāro alkānu ķēde. Šajā gadījumā propāns veido aptuveni 16-20% no visiem šī procesa gāzveida produktiem:
СΗ3-СΗ2-СΗ2-СΗ 2-СΗ2-СΗ2-СΗ2-СΗ 3 ―> СΗ3-СΗ2-СΗ3 + СН 2=CΗ-CΗ2-CΗ2-CΗ3
Dažādu veidu akmeņogļu un akmeņogļu darvas hidrogenēšanas laikā veidojas liels daudzums propāna, tie sasniedz 80% no visu saražoto gāzu tilpuma.
Plaši izplatīts ir arī propāna iegūšana ar Fišera-Tropša metodi, kuras pamatā ir CO un H2 mijiedarbība dažādu katalizatoru klātbūtnē paaugstinātā temperatūrā un spiediens:
nCO + (2n + 1)Η2 ―> C Η2n+2 + nΗ2O
3CO + 7Η2 ―> C3Η8 + 3Η 2O
Naftas un gāzes pārstrādes laikā ar fizikālām un ķīmiskām metodēm tiek izolēti arī rūpnieciskie butāna apjomi.
Ķīmiskās īpašības
No molekulu strukturālajām iezīmēmatkarīgi no propāna un butāna fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām. Tā kā tie ir piesātināti savienojumi, pievienošanās reakcijas tiem nav raksturīgas.
1. aizstāšanas reakcijas. Ultravioletās gaismas iedarbībā ūdeņradis viegli tiek aizstāts ar hlora atomiem:
CH3-CH2-CH3 + Cl 2 ―> CH3-CH(Cl)-CH3 + HCl
Karsējot ar slāpekļskābes šķīdumu, H atoms tiek aizstāts ar NO grupu2:
СΗ3-СΗ2-СΗ3 + ΗNO 3 ―> СΗ3-СΗ (NO2)-СΗ3 + H2O
2. Šķelšanās reakcijas. Karsējot niķeļa vai pallādija klātbūtnē, divi ūdeņraža atomi tiek atdalīti, veidojot daudzkārtēju saiti molekulā:
CΗ3-CΗ2-CΗ3 ―> CΗ 3-СΗ=СΗ2 + Η2
3. sadalīšanās reakcijas. Kad vielu karsē līdz aptuveni 1000 °C temperatūrai, notiek pirolīzes process, ko pavada visu molekulā esošo ķīmisko saišu pārtraukšana:
C3H8 ―> 3C + 4H2
4. degšanas reakcijas. Šie ogļūdeņraži sadeg ar nesmēķējošu liesmu, izdalot lielu daudzumu siltuma. Kāds propāns ir zināms daudzām mājsaimniecēm, kuras izmanto gāzes plītis. Reakcijā veidojas oglekļa dioksīds un ūdens tvaiki:
C3N8 + 5O2―> 3CO 2 + 4H2O
Propāna sadegšana skābekļa trūkuma apstākļos izraisa kvēpu parādīšanos un oglekļa monoksīda molekulu veidošanos:
2C3H8 + 7O2―> 6SO + 8H 2O
C3H8 + 2O2―> 3C + 4H2O
Pieteikums
Propānu aktīvi izmanto kā degvielu, jo tā sadegšanas laikā izdalās 2202 kJ/mol siltuma, tas ir ļoti augsts rādītājs. Oksidācijas procesā no propāna tiek iegūtas daudzas ķīmiskai sintēzei nepieciešamās vielas, piemēram, spirti, acetons, karbonskābes. Ir nepieciešams iegūt nitropropānus, ko izmanto kā šķīdinātājus.
Kā propelentam, ko izmanto pārtikas rūpniecībā, tam ir kods E944. Sajaucot ar izobutānu, to izmanto kā modernu, videi draudzīgu aukstumnesēju.
Propāna-butāna maisījums
Tam ir daudz priekšrocību salīdzinājumā ar citiem kurināmajiem, tostarp dabasgāzi:
- augsta efektivitāte;
- viegla atgriešanās gāzveida stāvoklī;
- laba iztvaikošana un sadegšana apkārtējās vides temperatūrā.
Propāns pilnībā atbilst šīm īpašībām, bet butāni iztvaiko nedaudz sliktāk, kad temperatūra nokrītas līdz -40°C. Šo trūkumu palīdz novērst piedevas, no kurām labākā ir propāns.
Propāna-butāna maisījumu izmanto apkurei un ēdiena gatavošanai, metālu metināšanai ar gāzi un to griešanai, kā degvielu transportlīdzekļiem un ķīmiskām vielāmsintēze.
