Keemia seisukoh alt on propaan küllastunud süsivesinik, millel on alkaanidele tüüpilised omadused. Mõnes tootmisvaldkonnas mõistetakse propaani aga kahe aine – propaani ja butaani – seguna. Järgmisena proovime välja selgitada, mis on propaan ja miks seda butaaniga segada.
Molekuli struktuur
Iga propaanimolekul koosneb kolmest süsinikuaatomist, mis on omavahel seotud lihtsate üksiksidemetega, ja kaheksast vesinikuaatomist. Selle molekulaarvalem on C3H8. Propaani C-C sidemed on kovalentsed mittepolaarsed, kuid C-H paaris on süsinik veidi elektronegatiivsem ja tõmbab ühist elektronpaari veidi enda poole, mis tähendab, et side on kovalentne polaarne. Molekuli struktuur on siksakiline, kuna süsinikuaatomid on sp3-hübridisatsiooni olekus. Kuid reeglina öeldakse, et molekul on lineaarne.
Butaanimolekulis on neli süsinikuaatomit С4Н10 ja sellel on kaks isomeeri: n-butaan (sisaldab lineaarne struktuur) ja isobutaan (onhargnenud struktuur). Sageli ei eraldu need kättesaamisel, vaid eksisteerivad seguna.
Füüsikalised omadused
Propaan on värvitu ja lõhnatu gaas. See lahustub vees väga halvasti, kuid lahustub hästi kloroformis ja dietüüleetris. See sulab temperatuuril tpl=-188 °С ja keeb temperatuuril tkip=-42 °С. See muutub plahvatusohtlikuks, kui selle kontsentratsioon õhus ületab 2%.
Propaani ja butaani füüsikalised omadused on väga lähedased. Mõlemad butaanid on tavatingimustes ka gaasilises olekus ja lõhnatud. Vees praktiliselt lahustumatu, kuid toimib hästi orgaaniliste lahustitega.
Nende süsivesinike järgmised omadused on samuti tööstuses olulised:
- Tihedus (keha massi ja ruumala suhe). Vedela propaani-butaani segude tiheduse määrab suuresti süsivesinike koostis ja temperatuur. Temperatuuri tõustes toimub mahupaisumine ja vedeliku tihedus väheneb. Rõhu suurenedes surutakse vedela propaani ja butaani maht kokku.
- Viskoossus (gaasilises või vedelas olekus olevate ainete võime taluda nihkejõude). Selle määravad ainetes molekulide adhesioonijõud. Propaani ja butaani vedela segu viskoossus sõltub temperatuurist (selle tõusuga viskoossus väheneb), kuid rõhu muutus mõjutab seda omadust vähe. Gaasid aga suurendavad temperatuuri tõustes oma viskoossust.
Looduses leidmine ja meetodite hankimine
Peamised looduslikud propaaniallikad on nafta jagaasiväljad. Seda leidub maagaasis (0,1–11,0%) ja sellega seotud naftagaasides. Üsna palju butaani saadakse õli destilleerimisel – jagades selle fraktsioonideks, lähtudes selle komponentide keemistemperatuuridest. Nafta rafineerimise keemilistest meetoditest on suurima tähtsusega katalüütiline krakkimine, mille käigus katkeb kõrgmolekulaarsete alkaanide ahel. Sel juhul moodustab propaan umbes 16–20% kõigist selle protsessi gaasilistest saadustest:
СΗ3-СΗ2-СΗ2-СΗ 2-СΗ2-СΗ2-СΗ2-СΗ 3 ―> СΗ3-СΗ2-СΗ3 + СН 2=CΗ-CΗ2-CΗ2-CΗ3
Erineva tüüpi kivisöe ja kivisöetõrva hüdrogeenimisel moodustub suur kogus propaani, mis ulatub 80%-ni kõigi toodetud gaaside mahust.
Levinud on ka propaani saamine Fischeri-Tropschi meetodil, mis põhineb CO ja H2 vastastikmõjul erinevate katalüsaatorite juuresolekul kõrgendatud temperatuuril ja rõhk:
nCO + (2n + 1)Η2 ―> C Η2n+2 + nΗ2O
3CO + 7Η2 ―> C3Η8 + 3Η 2O
Nafta ja gaasi töötlemisel füüsikaliste ja keemiliste meetodite abil eraldatakse ka tööstuslikud butaani kogused.
Keemilised omadused
Molekulide struktuursetest omadustestsõltuvad propaani ja butaani füüsikalistest ja keemilistest omadustest. Kuna tegemist on küllastunud ühenditega, ei ole liitumisreaktsioonid neile iseloomulikud.
1. asendusreaktsioonid. Ultraviolettvalguse toimel asendatakse vesinik kergesti klooriaatomitega:
CH3-CH2-CH3 + Cl 2 ―> CH3-CH(Cl)-CH3 + HCl
Lämmastikhappe lahusega kuumutamisel asendatakse H-aatom NO-rühmaga2:
СΗ3-СΗ2-СΗ3 + ΗNO 3 ―> СΗ3-СΗ (NO2)-СΗ3 + H2O
2. Lõhustamisreaktsioonid. Nikli või pallaadiumi juuresolekul kuumutamisel eralduvad kaks vesinikuaatomit, mille tulemusena moodustub molekulis mitmikside:
CΗ3-CΗ2-CΗ3 ―> CΗ 3-СΗ=СΗ2 + Η2
3. lagunemisreaktsioonid. Kui ainet kuumutatakse temperatuurini umbes 1000 °C, toimub pürolüüsiprotsess, millega kaasneb kõigi molekulis olevate keemiliste sidemete katkemine:
C3H8 ―> 3C + 4H2
4. põlemisreaktsioonid. Need süsivesinikud põlevad mittesuitsetava leegiga, eraldades suurel hulgal soojust. Millist propaani teavad paljud gaasipliiti kasutavad koduperenaised. Reaktsiooni käigus tekib süsinikdioksiid ja veeaur:
C3N8 + 5O2―> 3CO 2 + 4H2O
Propaani põlemine hapnikupuuduse tingimustes põhjustab tahma ilmumist ja süsinikmonooksiidi molekulide moodustumist:
2C3H8 + 7O2―> 6SO + 8H 2O
C3H8 + 2O2―> 3C + 4H2O
Rakendus
Propaani kasutatakse kütusena aktiivselt, kuna selle põlemisel eraldub soojust 2202 kJ / mol, on see väga kõrge näitaja. Oksüdatsiooniprotsessis saadakse propaanist palju keemiliseks sünteesiks vajalikke aineid, näiteks alkoholid, atsetoon, karboksüülhapped. Vaja on saada lahustitena kasutatavaid nitropropaane.
Toiduainetööstuses kasutatava raketikütusena on kood E944. Isobutaaniga segatuna kasutatakse seda kaasaegse ja keskkonnasõbraliku külmutusagensina.
Propaani-butaani segu
Sellel on teiste kütuste, sealhulgas maagaasi ees palju eeliseid:
- kõrge efektiivsus;
- lihtne naasmine gaasilisse olekusse;
- hea aurustumine ja põlemine ümbritseva õhu temperatuuril.
Propaan vastab täielikult nendele omadustele, kuid butaanid aurustuvad mõnevõrra halvemini, kui temperatuur langeb -40 °C-ni. Seda puudust aitavad parandada lisandid, millest parim on propaan.
Propaani-butaani segu kasutatakse kütmiseks ja toiduvalmistamiseks, metallide gaaskeevitamiseks ja lõikamiseks, kütusena sõidukites ja kemikaalidessüntees.
