Структурная формула углеводорода бутана: свойства и особенности

Бутан - один из самых распространенных углеводородов, используемый человеком повсеместно. Особенности строения его молекулы определяют уникальные свойства этого вещества.

Строение молекулы бутана

Бутан относится к предельным углеводородам и входит в гомологический ряд алканов. Его молекулярная формула - C4H10. Это означает, что в состав молекулы входит 4 атома углерода и 10 атомов водорода.

Бутан (C4H10) — органическое соединение, углеводород класса алканов.

Каждый атом углерода в молекуле бутана находится в sp3-гибридном состоянии и образует 4 связи с другими атомами. Это обуславливает тетраэдрическую форму молекулы.

Атомы углерода в молекуле бутана могут соединяться друг с другом и с атомами водорода при помощи двух типов связей:

• Связь C-H - полярная ковалентная связь между атомом углерода и атомом водорода
• Связь C-C - неполярная ковалентная связь между двумя атомами углерода

Атомы углерода в цепочке молекулы могут быть первичными, вторичными и третичными в зависимости от числа связей с другими атомами углерода:

1. Первичный (1 связь C-C)
2. Вторичный (2 связи C-C)
3. Третичный (3 связи C-C)

Однако существует два изомера бутана с одинаковым химическим составом, но разным расположением атомов - н-бутан и изобутан. Их структурные формулы таковы:

Таким образом, бутан - углеводород, молекула которого состоит из 4 атомов углерода, соединенных в цепочку с 10 атомами водорода. Существует 2 изомера бутана, отличающиеся последовательностью соединения атомов.

Химические свойства бутана

Как представитель предельных углеводородов, бутан обладает рядом характерных химических свойств.

Он химически инертен из-за отсутствия кратных связей в молекуле, однако способен вступать в реакции радикального замещения и присоединения.

При образовании связи С–С происходит перекрывание sp3-гибридных орбиталей атомов углерода.

Например, при взаимодействии с галогенами в условиях облучения или нагревания возможно замещение атома водорода в молекуле бутана на атом галогена с образованием C4H9Cl (хлорбутана):

C₄H₁₀ + Cl₂ → C₄H₉Cl + HCl

Бутан способен окисляться кислородом воздуха с образованием углекислого газа и воды:

2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O

Это реакция горения, которая сопровождается выделением большого количества энергии.

Бутан также можно получить химическим путем из других соединений - этана, пропана, бутиленов и др. Например, при взаимодействии этана с натрием:

2C₂H₅Cl + 2Na → C₄H₁₀ + 2NaCl

Таким образом, на примере рассмотренных реакций видно, что бутан, несмотря на химическую инертность, способен взаимодействовать с некоторыми веществами с образованием новых соединений.

Применение бутана

Благодаря своим физико-химическим свойствам, обусловленным структурой молекулы, бутан нашел широкое применение в промышленности и в быту.

В сжиженном виде он используется как бытовое топливо - заправляет зажигалки, газовые плиты, входит в состав газовых баллонов для домашнего потребления. При сгорании бутан выделяет много теплоты:

Теплота сгорания 1 кг бутана - 45,7 МДж.

Кроме того, структурная формула бутана и его изомеров позволяет использовать это вещество в органическом синтезе различных соединений - полимеров, красителей, лекарственных препаратов.

Добыча и получение бутана

В природных условиях бутан образуется в недрах Земли и содержится в нефти и природном газе. Попутный нефтяной газ на 70-90% состоит из метана и этана, но также включает пропан, бутан и другие гомологи.

Промышленные методы получения бутана основаны на переработке и фракционировании природного газа и нефти. При этом используется ректификация - разделение смесей углеводородов by температуре кипения.

Также возможно химическое получение бутана, например взаимодействием этана с натрием при повышенной температуре:

2C₂H₅Cl + 2Na → C₄H₁₀ + 2NaCl

Структурная формула изомеров бутана

Как уже упоминалось, существует два изомера бутана с различной структурной формулой:

Изомеры отличаются расположением атомов углерода в молекуле, что влияет на их физические и химические свойства. Например, температуры кипения:

• н-бутан - 0,5°C
• изобутан - -11,7°C

Поэтому в "зимних" и "летних" газовых смесях для бытового потребления содержание изомеров варьируют.

Вот описания трех изображений на английском и русском языках, отражающих различные аспекты темы статьи о бутане. Первое - молекулярная структура, второе - добыча, третье - использование в качестве топлива. Описания максимально детализированы с указанием углов, освещения, настроения и других нюансов для создания драматичных, объемных изображений.