Пропан - это экологическое топливо. Его физические и химические свойства

С точки зрения химии, пропан - это предельный углеводород, обладающий типичными свойствами алканов. Однако в некоторых областях производства под пропаном понимают смесь двух веществ - пропана и бутана. Далее мы постараемся разобраться, что такое пропан, и зачем его смешивают с бутаном.

Строение молекулы

Каждая молекула пропана состоит из трех атомов углерода, связанных друг с другом простыми одинарными связями, и восьми атомов водорода. Он имеет молекулярную формулу С₃Н₈. Связи С-С в пропане являются ковалентными неполярными, а вот в паре С-Н углерод немного более электроотрицателен и слегка оттягивает на себя общую электронную пару, а значит, связь ковалентная полярная. Молекула имеет зигзагообразное строение из-за того, что атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации. Но, как правило, говорят, что молекула линейная.

В составе молекулы бутана четыре атома углерода С₄Н₁₀, и он имеет два изомера: н-бутан (имеет линейное строение) и изобутан (имеет разветвленное строение). Зачастую, они не разделяются после получения, а существуют в виде смеси.

Физические свойства

Пропан - это газ без цвета и какого-либо запаха. В воде растворяется очень плохо, зато хорошо в хлороформе и простом диэтиловом эфире. Плавится при температуре t_пл = -188 °С, а закипает при t_кип = -42 °С. Взрывоопасным становится при достижении его концентрации в воздухе выше 2%.

Физические свойства пропана и бутана очень близки. Оба бутана также имеют газообразное состояние при нормальных условиях и не имеют запаха. Практически не растворяются в воде, но хорошо взаимодействуют с органическими растворителями.

В промышленности также имеют важное значение следующие характеристики этих углеводородов:

• Плотность (отношение массы к объему тела). Плотность жидких пропан-бутановых смесей во многом определяется составом углеводородов и температурой. С ростом температуры происходит объемное расширение, и плотность жидкости уменьшается. С ростом давления объем жидкости пропана и бутана сжимается.
• Вязкость (способность веществ в газообразном или жидком состоянии сопротивляться сдвигающим усилиям). Определяется силами сцепления молекул в веществах. Вязкость жидкой смеси пропана с бутаном зависит от температуры (с ее ростом вязкость уменьшается), а вот изменение давления на эту характеристику влияет незначительно. Газы же с ростом температуры увеличивают свою вязкость.

Нахождение в природе и методы получения

Основные природные источники пропана - это нефтяные и газовые месторождения. Он содержится в природном газе (от 0,1 до 11,0%) и в попутных нефтяных газах. Довольно много бутана получают в процессе ректификации нефти - разделении ее на фракции, основываясь на температурах кипения ее компонентов. Из химических способов переработки нефти наибольшее значение имеет каталитический крекинг, в процессе которого происходит разрыв цепи высокомолекулярных алканов. При этом пропана образуется порядка 16-20% от всех газообразных продуктов этого процесса:

СΗ₃-СΗ₂-СΗ₂-СΗ₂-СΗ₂-СΗ₂-СΗ₂-СΗ₃ ―> СΗ₃-СΗ₂-СΗ₃ + СΗ₂=СΗ-СΗ₂-СΗ₂-СΗ₃

Большие количества пропана образуются при гидрогенизации разных видов угля и каменноугольной смолы, они достигают 80% от объема всех образующихся газов.

Также широко распространено получение пропана по методу Фишера-Тропша, который основан на взаимодействии СО и Н₂ в присутствии различных катализаторов при повышенных температуре и давлении:

nCO + (2n + 1)Η₂ ―> C_nΗ_2n+2 + nΗ₂O

3CO + 7Η₂ ―> C₃Η₈ + 3Η₂O

Промышленные объемы бутана также выделяют при нефтегазовой переработке физическими и химическими методами.

Химические свойства

От особенностей строения молекул зависят физические и химические свойства пропана и бутана. Поскольку они являются насыщенными соединениями, для них не характерны реакции присоединения.

1. Реакции замещения. Под действием ультрафиолета легко происходит замещение водорода на атомы хлора:

СН₃-СН₂-СН₃ + Cl₂ ―> СН₃-СН (Cl)-СН₃ + HCl

При нагревании с раствором азотной кислоты, происходит замена атома Н на группу NO₂:

СΗ₃-СΗ₂-СΗ₃ + ΗNO₃ ―> СΗ₃-СΗ (NO₂)-СΗ₃ + H₂О

2. Реакции отщепления. При нагревании в присутствии никеля или палладия происходит отщепление двух атомов водорода с образованием в молекуле кратной связи:

СΗ₃-СΗ₂-СΗ₃ ―> СΗ₃-СΗ=СΗ₂ + Η₂

3. Реакции разложения. При нагревании вещества до температуры порядка 1000 °С происходит процесс пиролиза, который сопровождается разрывом всех имеющихся в молекуле химических связей:

С₃Н₈ ―> 3С + 4H₂

4. Реакции горения. Эти углеводороды горят не коптящим пламенем с выделением большого количества теплоты. Что такое пропан знают многие хозяйки, которые пользуются газовыми плитами. В ходе реакции образуются углекислый газ и парообразная вода:

С₃Н₈ + 5O₂―> 3СО₂ + 4H₂О

Сгорание пропана в условиях недостатка кислорода приводит к появлению сажи и образованию молекул угарного газа:

2С₃Н₈ + 7O₂―> 6СО + 8H₂О

С₃Н₈ + 2O₂―> 3С + 4H₂О

Применение

Пропан активно применяется как топливо, поскольку при его горении выделяется 2202 кДж/моль теплоты, это очень высокий показатель. В процессе окисления из пропана получают многие вещества, необходимые для химического синтеза, например, спирты, ацетон, карбоновые кислоты. Он необходим для получения нитропропанов, используемых, как растворители.

В качестве пропеллента применяется в пищевой сфере, имеет код E944. В смеси с изобутаном используется в качестве современного хладагента, не наносящего вред окружающей среде.

Пропан-бутановая смесь

Она имеет много преимуществ перед другими видами топлива, в том числе природным газом:

• высокий КПД;
• легкий возврат к газообразному состоянию;
• хорошие испарение и сжигание при окружающей температуре.

Пропан в полной мере отвечает этим качествам, а вот бутаны несколько хуже испаряются при понижении температуры до -40°С. Исправить этот недостаток помогают добавки, лучшая из которых - это пропан.

Пропан-бутановую смесь применяют для отопления и приготовления пищи, при газовой сварке металлов и их резке, как топливо для транспортных средств и для химического синтеза.