Бутан, структурная формула, химические, физические свойства

Что такое бутан?

Бутан – это так называемый сжиженный природный (нефтяной) газ, который получается при перегонке нефти.
Как и пропан, бутан по своей природе является газом, но это относится не ко всем горючим газам. Бутан становится жидким при -0,5 градусах Цельсия или ниже, в то время как пропан становится жидким только при -40 градусах Цельсия.

Другим большим отличием между бутаном и пропаном является давление: при температуре 20 градусов Цельсия бутан имеет давление около 1,2 бар, тогда как пропан не менее 7,0 бар.

Оба изомера бутана являются газами при комнатной температуре, потому что (n-) бутан имеет температуру плавления -138 C и температуру кипения -0,5 C, а метилпропан (изобутан) имеет температуру плавления -160 C и температуру кипения −12 °С.

Бутан практически не растворим в воде (90 мг / л).

Оба изомера ведут себя схожим образом: они легко воспламеняются, не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия, подвергаются воздействию только галогенов хлора и брома под воздействием света.

Зачем смешивают пропан и бутан?

При отрицательных температурах бутан в чистом виде теряет свои основные свойства. А пропан неприменим в жарком климате.

Чтобы избежать нужды в производстве для каждого региона по температурному режиму своей марки газа, ГОСТом предусмотрена смесь этих двух компонентов в определенном соотношении.

Добыча бутана

Бутан производится как «побочный продукт» при добыче природного газа и переработке нефти. В прошлом бутан и пропан сжигали в больших количествах при добыче нефти, пока не было обнаружено, что оба продукта могут использоваться в качестве топлива. Сначала в процессе переработки, а затем и за его пределами.

В настоящее время этот газ используется во всем мире в качестве топлива — например, для приготовления пищи и отопления.

Транспортировка бутана

Бутан транспортируется в жидкой форме, потому что газовая форма намного менее компактна. 1 литр жидкого бутана дает около 250 литров газа. Поэтому транспортировка бутана в жидкой форме намного эффективнее. Танкер может легко перевозить 40 000 литров жидкого бутана, что соответствует 10 миллионам литров газообразного бутана.

Единственным недостатком бутана является то, что он становится жидким при -0,5 градусах Цельсия. Поэтому его нельзя использовать при холодных погодных условиях.

Физические свойства бутана

Наименование параметра: Значение:
Цвет без цвета
Запах специфический характерный запах
Вкус без вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.) газ
Плотность (состояние вещества – жидкость, при 0 °C), кг/м3 601,2
Плотность (состояние вещества – газ, при 0 °C), кг/м3 2,672
Температура плавлениян-бутана, °C -138,4
Температура плавления изобутана, °C -159,6
Температура кипениян-бутана, °C -0,5
Температура кипения изобутана, °C -11,7
Температура самовоспламенения, °C 372
Критическая температура*, °C 152,01
Критическое давление, МПа 3,797
Критический удельный объём, м3/кг 228
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных от 1,4 до 9,3
Удельная теплота сгорания, МДж/кг 45,8
Молярная масса, г/моль 58,12
Читайте также:  Понятие об электродном потенциале. Уравнение Нернста

* при температуре выше критической температуры газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

Химические свойства бутана

Помимо процесса полимеризации, есть у бутана реакция горения. Этана, пропана, иных представителей насыщенных углеводородов достаточно содержится в природном газе, поэтому именно он является сырьем для всех превращений, включая и горение.

В бутане углеродные атомы находятся в sp3-гибридном состоянии, поэтому все связи одинарные, простые. Подобное строение (тетраэдрическая форма) обуславливает химические свойства бутана.

Он не способен вступать в реакции присоединения, для него характерны только процессы изомеризации, замещения, дегидрирования.

Замещение с двухатомными молекулами галогенов осуществляется по радикальному механизму, причем для осуществления данного химического взаимодействия необходимы достаточно жесткие условия (ультрафиолетовое облучение). Практическое значение из всех свойств бутана имеет его горение, сопровождающееся выделением достаточного количества теплоты. Кроме того, особый интерес для производства представляет и процесс дегидрирования предельного углеводорода.

Реакции замещения

В молекулах алканов связи С–Н более доступны для атаки другими частицами, чем менее прочные связи С–С.

1.1. Галогенирование

Бутан реагирует с хлором и бромом на свету или при нагревании.

При хлорировании бутана образуется смесь хлорпроизводных.

Например, при хлорировании бутана образуются 1-хлорбутан и 2-хлорбутан:
CH3-CH2-CH2-CH3 + Cl2 → CH3-CH2-CH2-CH2Cl + HCl

CH3-CH2-CH2-CH3 + Cl2 → CH3-CH2-CHCl-CH3 + HCl

Бромирование протекает более медленно и избирательно.

Избирательность бромирования: сначала замещается атом водорода у третичного атома углерода, затем атом водорода у вторичного атома углерода, и только затем первичный атом.
С третичный–Н > С вторичный–Н > С первичный–Н
Например, при бромировании пропана преимущественно образуется 2-бромбутан:
CH3-CH2-CH2-CH3 + Br2 → CH3-CH2-CHBr-CH3 + HBr

Хлорбутан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорбутана, трихлорбутана, тетрахлорбутана и т.д.

1.2. Нитрование бутана

Бутан взаимодействует с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму, при нагревании и под давлением. Атом водорода в бутане замещается на нитрогруппу NO2.

Например. При нитровании бутана образуется преимущественно 2-нитробутана:

CH3-CH2-CH2-CH3 + HNO3 → CH3-CH2-CHNO2-CH3 + H2O

Читайте также:  Полировка дерева на токарном станке осуществляется. Как и чем следует полировать деревянные поверхности? Подачи при накатывании

Дегидрирование бутана

Дегидрирование – это реакция отщепления атомов водорода.

В качестве катализаторов дегидрирования используют никель Ni, платину Pt, палладий Pd, оксиды хрома (III), железа (III), цинка и др.

При дегидрировании алканов, содержащих от 2 до 4 атомов углерода в молекуле, разрываются связи С–Н у соседних атомов углерода и образуются двойные и тройные связи.

Например, при дегидрировании бутана преимущественно образуются бутен-2 (бутилен) или бутин-2.

При дегидрировании бутана под действием металлических катализаторов образуется смесь продуктов. Преимущественно образуется бутен-2:

Если бутан нагревать в присутствии оксида хрома (III), преимущественно образуется бутадиен-1,3:

Окисление бутана

Бутан

– слабополярное соединение, поэтому при обычных условиях он не окисляется даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др.).

3.1. Полное окисление – горение

Бутан горит с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения пропана сопровождается выделением большого количества теплоты.

2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O + Q

Уравнение сгорания алканов в общем виде:

CnH2n+2 + (3n+1)/2O2 → nCO2 + (n+1)H2O + Q

При горении бутана в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

3.2. Каталитическое окисление

  • Каталитическое окисление бутана – промышленный способ получения уксусной кислоты

Структурная изомерия

Для бутана характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета.

Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.

Изомеры углеродного скелета отличаются строением углеродного скелета.

Например.
Для н-бутана (алкана с линейной цепью) существует изомер с разветвленным углеродным скелетом – изобутан
Бутан Изобутан

Для бутана не характерна пространственная изомерия.

Бутан

– предельный углеводород, поэтому он не может вступать в реакции присоединения.

Для бутана характерны реакции:

  • разложения,
  • замещения,
  • окисления.

Разрыв слабо-полярных связей С – Н протекает только по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов.

Поэтому для бутана характерны радикальные реакции.

Бутан устойчив к действию сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и др.), не реагирует с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой.

Применение и использование бутана:

– в качестве топлива в смеси с пропаном в быту для приготовления пищи, транспортных средствах, в отопительных приборах и т.п.;

– н-бутан используется как сырьё в химической и нефтехимической промышленности для получения бутилена, 1,3-бутадиена, компонентов бензинов с высоким октановым числом, для производства других химических веществ;

– в пищевой промышленности как пищевая добавка E943a и E943b (изобутан), последний используется в качестве пропеллента;

Сжиженный газ

Основными компонентами жидкого газа являются:

  • пропан: С3Н8;
  • пропилен: С3Н6;
  • бутан: С4Н10.

Пропан и бутан являются цепочечными, насыщенными углеводородными соединениями. Ненасыщенные углеводороды пропен и бутен имеют двойную углеродную связь. Молекулярная структура пропана и бутана относительно проста по сравнению с разветвленными цепями обычных видов топлива (бензин или дизельное топливо).

Соотношение смешивания пропана и бутана может быть различным. Поставщики газа варьируют состав в зависимости от температуры окружающей среды. Поэтому смесь может отличаться в зависимости от местоположения потребителя и времени года.

Чистые газы не имеют запаха. При необходимости в газ добавляется специальное вещество, чтобы можно было обнаружить утечку.

Технологические параметры сжиженного газа

Пропан Бутан
Химическое название C3H8 C4H10
Плотность жидкой фазы при 20°C, кглитр 0,498 0,578
Плотность газа при 15°C  кгм3 2,019 2,590
Специфический объём газа (воздух = 1) 1,562 2,091
Момент кипения,  °C – 42,1 – 0,5
Oбъём газа, который испарится из 1 кг жидкой фазы, м3:при температуре 0°C и при давлении 101,325 кРа
при температуре 20°C и при давлении 101,325 кРа
0,496
0,553
0,368
0,395
Теплотворная способность/ жидкая фаза, МДжкг
Теплотворная способность/ газ, МДжм3
46,34
97,19
47,20
118,23
Октановое число 112 93

Расчётная таблица артикул: 06 950 01

Соотношение объёма и веса: 1 килограмм 1 литр 1 м. куб.
Сжиженный кг. 1 0.53 2.1
Сжиженный литр. 1.9 1 3.99
Газообразный м.3 0.48 0.25 1
  • сколько литров газа в 1 м3
  • пропан-бутан вага

Использование сжиженного газа в качестве топлива для автомобилей

Газы имеют определенные недостатки по сравнению с жидкостями при заправке двигателей внутреннего сгорания. Сжиженный газ хранится в жидком виде в резервуаре, но преобразуется в газообразное состояние в испарителе на пути к двигателю и выдувается во впускной коллектор в газообразном виде.

Обычные виды топлива ( бензин , дизельное топливо) обычно подают в камеру сгорания в виде мельчайших капель жидкости через карбюратор или форсунку. Поскольку плотность жидкостей намного больше, чем у газов, газообразное топливо занимает больше места во впускном коллекторе. Таким образом, газ вытесняет часть всасываемого воздуха.

Уменьшение воздуха по отношению к количеству топлива означает, что смесь становится богаче. Однако, если необходимо поддерживать постоянное соотношение воздуха, подача топлива должна быть уменьшена на соответствующую величину. Это приводит к образованию более однородной смеси с воздухом, что обеспечивает более равномерное сгорание.

Кроме того, более низкая скорость сжигания сжиженного нефтяного газа приводит к меньшим потерям тепла в двигателе, что несколько увеличивает КПД.

Упаковка

Добавку Е 943a поставляют в стальных баллонах, контейнерах, цистернах. Вещество находится в сжиженном виде под давлением. Основное требование к упаковочной таре — полная герметичность с целью обеспечения сохранности окружающей среды. Цвет емкостей не регламентируется. На упаковочную единицу наносят полосу определенного цвета в соответствии с маркой продукта:

  • бутан чистый (бутан нормальный) — зеленая;
  • чистый для анализа («Ч.Д.А») — синяя;
  • бутан химически чистый («хч») — красная;
  • особо чистый («осч») — желтая.

Польза и вред

Добавка E 943a по степени влияния на здоровье отнесена к малоопасным веществам (4 класс в соответствии с ГОСТ 12.1.007-76).

негативное влияение уроматизаторов

Бутан — нейтральный продукт, он не всасывается в кровь, не вступает в какие-либо химические реакции.

Серьезную опасность представляет непосредственное вдыхание газа. Бутан быстро вытесняет воздух. У пострадавшего отмечают признаки кислородной недостаточности:

  • удушье,
  • аритмию,
  • резкое повышение артериального давления;
  • возникновение очагов острой эмфиземы легких;
  • потерю сознания.

Если не оказать скорую медицинскую помощь, может наступить смерть. Попадание струи сжиженного бутана на кожу вызывает холодовую травму.

Наркотическое действие, приписываемое «газу из зажигалок», учеными не доказано.

Отравление газом пропан-бутан

Сжиженный газ пропан-бутан, а также продукт его неполного сгорания окись углерода, токсичны, могут вызывать удушье или сильное отравление со смертельным исходом. При легких и средних отравлениях угарным газом появляются головная боль (главным образом в висках), головокружение, тошнота, рвота, резкая слабость в руках и ногах, сердцебиение, а при тяжелых – затемненное сознание, нередко возбужденное состояние с беспорядочными движениями или потеря сознания.

Утечка газа происходит в результате пробоя шланга, соединяющего газопровод с плитой, разгерметизации резьбовых соединений, забывчивости людей, шалости детей, заливания пламени водой. Почувствовав в помещении запах газа, немедленно перекройте его подачу к плите. При этом не зажигайте спичек, не включайте свет и электроприборы (лучше всего обесточить всю квартиру, отключив электропитание на распределительном щитке), чтобы искра не смогла воспламенить накопившийся в квартире газ и вызвать взрыв. Вызовите аварийную газовую службу (телефон «04»). Основательно проветрите всю квартиру, а не только загазованную комнату, открыв все окна и двери. Покиньте помещение и не заходите в него до исчезновения запаха газа.

При появлении у окружающих признаков отравления газом вынесите их на свежий воздух и положите так, чтобы голова находилась выше ног. До приезда аварийной службы не вносите открытого огня, не включайте и не выключайте электроприборы.

Источники
  • https://MetaloBaza62.ru/instrumenty/temperatura-goreniya-propan-butana.html
  • https://MetalloBaza-sm.ru/stanki-i-oborudovanie/himicheskaya-formula-butana.html
  • https://snab365.ru/butane/
  • https://MetalloGrad22.ru/oborudovanie-i-stanki/svojstva-butana.html
  • https://FB.ru/article/282430/degidrirovanie-butana-v-butenyi
  • https://skolkogramm.ru/info/udelnyj-ves-propan-butana-ves-1-m3-propan-butana-i-tablicza-znachenij

Ваша оценка?

Петр Иваныч
Петр Иваныч
Возможно этот человек ответит на ваши вопросы
Задать вопрос
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Всё о химии
Adblock
detector