מנקודת מבט של כימיה, פרופאן הוא פחמימן רווי בעל תכונות אופייניות של אלקנים. עם זאת, בחלק מתחומי הייצור, פרופן מובן כתערובת של שני חומרים - פרופאן ובוטאן. לאחר מכן, ננסה להבין מהו פרופאן ומדוע מערבבים אותו עם בוטאן.
מבנה המולקולה
כל מולקולת פרופאן מורכבת משלושה אטומי פחמן המקושרים זה לזה בקשרים בודדים פשוטים, ושמונה אטומי מימן. יש לו את הנוסחה המולקולרית C3H8. קשרי ה-C-C בפרופאן הם לא-קוטביים קוולנטיים, אך בזוג ה-C-H, הפחמן מעט יותר אלקטרונילי ומושך מעט את זוג האלקטרונים המשותף כלפי עצמו, מה שאומר שהקשר הוא קוטבי קוולנטי. למולקולה יש מבנה זיגזג בשל העובדה שאטומי פחמן נמצאים במצב של sp3-הכלאה. אבל, ככלל, אומרים שהמולקולה היא לינארית.
יש ארבעה אטומי פחמן במולקולת הבוטאן С4Н10, ויש לה שני איזומרים: n-בוטן (יש מבנה ליניארי) ואיזובוטן (ישמבנה מסועף). לעתים קרובות, הם אינם נפרדים עם הקבלה, אלא קיימים כתערובת.
נכסים פיזיים
פרופן הוא גז חסר צבע וריח. הוא מתמוסס בצורה גרועה מאוד במים, אבל הוא מתמוסס היטב בכלורופורם ובדיאתיל אתר. הוא נמס ב-tpl=-188 מעלות צלזיוס, ורותח ב-tkip=-42 מעלות צלזיוס. הוא הופך לנפץ כאשר ריכוזו באוויר עולה על 2%.
התכונות הפיזיקליות של פרופאן ובוטאן קרובות מאוד. לשני הבוטנים יש גם מצב גזי בתנאים רגילים והם חסרי ריח. כמעט בלתי מסיס במים, אך מקיים אינטראקציה טובה עם ממיסים אורגניים.
המאפיינים הבאים של פחמימנים אלה חשובים גם בתעשייה:
- צפיפות (היחס בין מסה לנפח של גוף). הצפיפות של תערובות פרופאן-בוטאן נוזליות נקבעת במידה רבה על ידי הרכב הפחמימנים והטמפרטורה. ככל שהטמפרטורה עולה, מתרחשת התפשטות נפח, וצפיפות הנוזל יורדת. עם הלחץ הגובר, נפח הפרופאן והבוטאן הנוזלי נדחס.
- צמיגות (היכולת של חומרים במצב גז או נוזלי לעמוד בפני כוחות גזירה). זה נקבע על ידי כוחות ההיצמדות של מולקולות בחומרים. הצמיגות של תערובת נוזלית של פרופאן עם בוטאן תלויה בטמפרטורה (עם העלייה שלה, הצמיגות יורדת), אך לשינוי בלחץ יש השפעה מועטה על מאפיין זה. גזים, לעומת זאת, מגבירים את צמיגותם עם עליית הטמפרטורה.
חיפוש בטבע והשגת שיטות
המקורות הטבעיים העיקריים של פרופאן הם שמן ושדות גז. הוא כלול בגז טבעי (מ-0.1 עד 11.0%) ובגזי נפט נלווים. די הרבה בוטאן מתקבל בתהליך זיקוק של שמן - הפרדתו לשברים, על סמך נקודות הרתיחה של מרכיביו. מבין השיטות הכימיות של זיקוק נפט, יש חשיבות גדולה ביותר לפיצוח קטליטי, שבמהלכו נשברת שרשרת האלקנים בעלי המולקולריות הגבוהה. במקרה זה, פרופאן מהווה כ-16-20% מכל המוצרים הגזים של תהליך זה:
СΗ3-СΗ2-СΗ2-СΗ 2-СΗ2-СΗ2-СΗ2-СΗ 3 ―> СΗ3-СΗ2-СΗ3 + СН 2=CΗ-CΗ2-CΗ2-CΗ3
כמויות גדולות של פרופאן נוצרות במהלך הידרוגנציה של סוגים שונים של פחם וזפת פחם, הן מגיעות ל-80% מנפח כל הגזים המיוצרים.
נפוץ גם להשיג פרופאן בשיטת פישר-טרופש, המבוססת על האינטראקציה של CO ו-H2 בנוכחות זרזים שונים בטמפרטורה גבוהה לחץ:
nCO + (2n + 1)Η2 ―> C Η2n+2 + nΗ2O
3CO + 7Η2 ―> C3Η8 + 3Η 2O
כמויות תעשייתיות של בוטאן מבודדות גם במהלך עיבוד נפט וגז בשיטות פיזיקליות וכימיות.
מאפיינים כימיים
מתכונות מבניות של מולקולותתלויים בתכונות הפיזיקליות והכימיות של פרופאן ובוטאן. מאחר שהן תרכובות רוויות, תגובות הוספה אינן אופייניות להן.
1. תגובות החלפה. תחת פעולת האור האולטרה סגול, מימן מוחלף בקלות באטומי כלור:
CH3-CH2-CH3 + Cl 2 ―> CH3-CH(Cl)-CH3 + HCl
כאשר מחומם עם תמיסה של חומצה חנקתית, אטום H מוחלף בקבוצת NO2:
СΗ3-СΗ2-СΗ3 + ΗNO 3 ―> СΗ3-СΗ (NO2)-СΗ3 + H2O
2. תגובות מחשוף. בחימום בנוכחות ניקל או פלדיום, שני אטומי מימן מתפצלים עם יצירת קשר מרובה במולקולה:
CΗ3-CΗ2-CΗ3 ―> CΗ 3-СΗ=СΗ2 + Η2
3. תגובות פירוק. כאשר חומר מחומם לטמפרטורה של כ-1000 מעלות צלזיוס, מתרחש תהליך הפירוליזה, המלווה בשבירת כל הקשרים הכימיים הקיימים במולקולה:
C3H8 ―> 3C + 4H2
4. תגובות בעירה. פחמימנים אלו נשרפים בלהבה לא מעשנת, ומשחררים כמות גדולה של חום. איזה פרופאן ידוע לעקרות בית רבות המשתמשות בכיריים גז. התגובה מייצרת פחמן דו חמצני ואדי מים:
C3N8 + 5O2―> 3CO 2 + 4H2O
שריפה של פרופאן בתנאים של חוסר חמצן מובילה להופעת פיח ולהיווצרות מולקולות פחמן חד חמצני:
2C3H8 + 7O2-> 6SO + 8H 2O
C3H8 + 2O2-> 3C + 4H2O
Application
פרופן משמש באופן פעיל כדלק, מכיוון שמשתחררים 2202 קילו ג'ל/מול של חום במהלך הבעירה שלו, זהו נתון גבוה מאוד. בתהליך החמצון, חומרים רבים הדרושים לסינתזה כימית מתקבלים מפרופאן, למשל, אלכוהול, אצטון, חומצות קרבוקסיליות. יש צורך להשיג ניטרופרופנים המשמשים כממיסים.
כחומר הנעה המשמש בתעשיית המזון, יש לו את הקוד E944. בשילוב עם איזובוטן, הוא משמש כחומר קירור מודרני וידידותי לסביבה.
תערובת פרופאן-בוטאן
יש לו יתרונות רבים על פני דלקים אחרים, כולל גז טבעי:
- יעילות גבוהה;
- חזרה קלה למצב גזי;
- אידוי ובערה טובים בטמפרטורת הסביבה.
הפרופן עונה במלואה על האיכויות הללו, אך בוטאן מתאדה בצורה גרועה יותר כאשר הטמפרטורה יורדת ל-40 מעלות צלזיוס. תוספים עוזרים לתקן את החסר הזה, והטוב שבהם הוא פרופאן.
תערובת פרופאן-בוטאן משמשת לחימום ובישול, לריתוך בגז של מתכות וחיתוך שלהן, כדלק לכלי רכב ולכימיקליםסינתזה.
