Kemiasta katsottuna propaani on tyydyttynyt hiilivety, jolla on alkaaneille tyypillisiä ominaisuuksia. Joillakin tuotantoalueilla propaani ymmärretään kuitenkin kahden aineen - propaanin ja butaanin - seokseksi. Seuraavaksi yritämme selvittää, mitä propaani on ja miksi se sekoitetaan butaaniin.
Molekyylin rakenne
Jokainen propaanimolekyyli koostuu kolmesta hiiliatomista, jotka on liitetty toisiinsa yksinkertaisilla yksinkertaisilla sidoksilla, ja kahdeksasta vetyatomista. Sen molekyylikaava on C3H8. Propaanin C-C-sidokset ovat kovalenttisia ei-polaarisia, mutta C-H-parissa hiili on hieman elektronegatiivisempi ja vetää hieman yhteistä elektroniparia itseään kohti, mikä tarkoittaa, että sidos on kovalenttinen polaarinen. Molekyyli on siksak-rakenne, joka johtuu siitä, että hiiliatomit ovat sp3-hybridisaatiotilassa. Mutta yleensä molekyylin sanotaan olevan lineaarinen.
Butaanimolekyylissä on neljä hiiliatomia С4Н10, ja siinä on kaksi isomeeriä: n-butaani (on lineaarinen rakenne) ja isobutaani (onhaarautunut rakenne). Usein ne eivät erotu vastaanotettaessa, vaan ovat sekoituksena.
Fysikaaliset ominaisuudet
Propaani on väritön ja hajuton kaasu. Se liukenee erittäin huonosti veteen, mutta liukenee hyvin kloroformiin ja dietyylieetteriin. Se sulaa tpl=-188 °С ja kiehuu tkip=-42 °С. Siitä tulee räjähdysherkkä, kun sen pitoisuus ilmassa ylittää 2%.
Propaanin ja butaanin fysikaaliset ominaisuudet ovat hyvin lähellä toisiaan. Molemmat butaanit ovat myös kaasumaisia normaaleissa olosuhteissa ja ovat hajuttomia. Käytännössä veteen liukenematon, mutta toimii hyvin orgaanisten liuottimien kanssa.
Näiden hiilivetyjen seuraavat ominaisuudet ovat tärkeitä myös teollisuudessa:
- Tiheys (kehon massan suhde tilavuuteen). Nestemäisten propaani-butaaniseosten tiheys määräytyy suurelta osin hiilivetyjen koostumuksen ja lämpötilan mukaan. Lämpötilan noustessa tilavuuslaajeneminen tapahtuu ja nesteen tiheys pienenee. Paineen kasvaessa nestemäisen propaanin ja butaanin tilavuus puristuu.
- Viskositeetti (kaasumaisessa tai nestemäisessä tilassa olevien aineiden kyky vastustaa leikkausvoimia). Sen määräävät aineissa olevien molekyylien adheesiovoimat. Propaanin ja butaanin nestemäisen seoksen viskositeetti riippuu lämpötilasta (sen noustessa viskositeetti pienenee), mutta paineen muutoksella on vain vähän vaikutusta tähän ominaisuuteen. Kaasut puolestaan lisäävät viskositeettiaan lämpötilan noustessa.
Luonnosta löytäminen ja menetelmien hankkiminen
Tärkeimmät propaanin luonnolliset lähteet ovat öljy jakaasukentät. Sitä on maakaasussa (0,1 - 11,0 %) ja siihen liittyvissä öljykaasuissa. Melko paljon butaania saadaan öljyn tislausprosessissa - erottamalla se fraktioihin sen komponenttien kiehumispisteiden perusteella. Öljynjalostuksen kemiallisista menetelmistä tärkein on katalyyttinen krakkaus, jonka aikana suurimolekyylisten alkaanien ketju katkeaa. Tässä tapauksessa propaani muodostaa noin 16-20 % kaikista tämän prosessin kaasumaisista tuotteista:
СΗ3-СΗ2-СΗ2-СΗ 2-СΗ2-СΗ2-СΗ2-СΗ 3 ―> СΗ3-СΗ2-СΗ3 + СН 2=CΗ-CΗ2-CΗ2-CΗ3
Erilaisten kivihiilen ja kivihiilitervan hydrauksessa muodostuu suuria määriä propaania, ja ne saavuttavat 80 % kaikista tuotettujen kaasujen tilavuudesta.
On myös yleistä saada propaani Fischer-Tropsch-menetelmällä, joka perustuu CO:n ja H2 vuorovaikutukseen erilaisten katalyyttien läsnä ollessa korotetussa lämpötilassa ja paine:
nCO + (2n + 1)Η2 ―> C Η2n+2 + nΗ2O
3CO + 7Η2 ―> C3Η8 + 3Η 2O
Teolliset butaanimäärät eristetään myös öljyn ja kaasun käsittelyn aikana fysikaalisilla ja kemiallisilla menetelmillä.
Kemialliset ominaisuudet
Molekyylien rakenteellisista ominaisuuksistariippuvat propaanin ja butaanin fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista. Koska ne ovat tyydyttyneitä yhdisteitä, additioreaktiot eivät ole niille ominaisia.
1. korvausreaktiot. Ultraviolettivalon vaikutuksesta vety korvataan helposti klooriatomeilla:
CH3-CH2-CH3 + Cl 2 ―> CH3-CH(Cl)-CH3 + HCl
Kun lämmitetään typpihappoliuoksella, H-atomi korvataan NO-ryhmällä2:
СΗ3-СΗ2-СΗ3 + ΗNO 3 ―> СΗ3-СΗ (NO2)-СΗ3 + H2O
2. Halkeamisreaktiot. Kun lämmitetään nikkelin tai palladiumin läsnä ollessa, kaksi vetyatomia irtoaa, jolloin molekyyliin muodostuu moninkertainen sidos:
CΗ3-CΗ2-CΗ3 ―> CΗ 3-СΗ=СΗ2 + Η2
3. hajoamisreaktiot. Kun aine kuumennetaan noin 1000 °C:n lämpötilaan, tapahtuu pyrolyysiprosessi, johon liittyy kaikkien molekyylissä olevien kemiallisten sidosten katkeaminen:
C3H8 ―> 3C + 4H2
4. palamisreaktiot. Nämä hiilivedyt palavat savuttomalla liekillä vapauttaen suuren määrän lämpöä. Minkä propaanin tuntevat monet kaasuliesiä käyttävät kotiäidit. Reaktio tuottaa hiilidioksidia ja vesihöyryä:
C3N8 + 5O2―> 3CO 2 + 4H2O
Propaanin palaminen hapenpuutteen olosuhteissa johtaa noen ilmaantumiseen ja hiilimonoksidimolekyylien muodostumiseen:
2C3H8 + 7O2―> 6SO + 8H 2O
C3H8 + 2O2―> 3C + 4H2O
Hakemus
Propaania käytetään aktiivisesti polttoaineena, koska sen palaessa lämpöä vapautuu 2202 kJ/mol, mikä on erittäin korkea luku. Hapetusprosessissa propaanista saadaan monia kemialliseen synteesiin välttämättömiä aineita, esimerkiksi alkoholeja, asetonia, karboksyylihappoja. On tarpeen saada nitropropaaneja, joita käytetään liuottimina.
Elintarviketeollisuudessa käytettävänä ponneaineena koodi on E944. Isobutaanin kanssa sekoitettuna sitä käytetään nykyaikaisena, ympäristöystävällisenä kylmäaineena.
Propaani-butaaniseos
Sillä on monia etuja muihin polttoaineisiin, mukaan lukien maakaasuun, verrattuna:
- korkea hyötysuhde;
- helppo palata kaasumaiseen tilaan;
- hyvä haihtuminen ja palaminen ympäristön lämpötilassa.
Propaani täyttää nämä ominaisuudet täysin, mutta butaanit haihtuvat hieman huonommin, kun lämpötila laskee -40°C:een. Lisäaineet auttavat korjaamaan tämän puutteen, joista paras on propaani.
Propaani-butaaniseosta käytetään lämmittämiseen ja ruoanlaittoon, metallien kaasuhitsaukseen ja leikkaamiseen, ajoneuvojen polttoaineena ja kemikaalinasynteesi.
