Бутан – реакції, застосування, похідні

Бутан: загальна характеристика

Бутан є четвертим у гомологічному ряду алканів , також відомих як насичені вуглеводні . Молекула бутану складається з чотирьох атомів вуглецю, з’єднаних одинарними насиченими зв’язками. До кожного атома Карбону приєднані атоми Гідрогену (в органічних сполуках атом Карбону завжди чотиривалентний). Бутан має два ізомери. Ізомери — це сполуки, які мають ідентичні молекулярні формули (тобто однакову кількість окремих атомів у структурі), але відрізняються своїми структурними формулами (тобто розташуванням окремих атомів у молекулі). Бутан буває двох ізомерних форм: н-бутан і 2-метилпропан (також широко відомий як ізобутан). Ізомерна форма бутану утворюється, коли кінцевий -CH ₂ відривається від лінійної молекули. Тоді виходить молекула пропану, до якої (точніше до другого атома вуглецю) приєднана група -CH ₂ . У результаті утворюється сполука з розгалуженим ланцюгом з такою ж кількістю атомів, що й нерозгалужена молекула. Варто зазначити, що згідно з угодами про найменування органічних сполук, префікс «n» використовується для позначення лінійної молекули бутану, тоді як «iso» додається як префікс до його розгалуженої молекули. Зазначений вище тип ізомерії називають конституційною (або структурною) ізомерією. Важливо, що бутан не вважається парниковим газом. Він не руйнує озоновий шар Землі, що робить його екологічно чистим паливом.

Фізичні та хімічні властивості бутану:

• Безбарвний газ.
• Має слабкий запах, схожий на природний газ.
• Він дуже горючий.
• При контакті з повітрям утворює вибухову суміш.
• Пари бутану важчі за повітря.
• Він погано розчинний у воді.
• Легко розчинний в етанолі та діетиловому ефірі.
• Він хімічно стійкий.
• Надає токсичну дію на організм людини.

Бутан міститься в природному газі та сирій нафті , двох основних джерелах як з прямим, так і з розгалуженим ланцюгом. Велику кількість бутану також отримують при переробці нафти. Газ — це викопне паливо, яке утворюється із залишків мертвих рослин і тварин, що розкладаються глибоко під поверхнею Землі. Ізомери бутану, присутні в природному газі, можна відокремити від вищих концентрацій інших газоподібних компонентів, таких як метан і етан, шляхом абсорбції легкою нафтою. Бутан, виділений з абсорбенту разом із пропаном , продається як зріджений нафтовий газ (LPG). Ізомери бутану, утворені в результаті каталітичного крекінгу та інших процесів нафтопереробки, також відновлюються шляхом абсорбції в легку нафту. При кімнатній температурі бутан є газом, але він легко перетворюється на рідину, тому його зазвичай зберігають стисненим у досить міцних сталевих балонах. Зазвичай його зберігають у дуже добре провітрюваних приміщеннях і подалі від джерел вогню. Лабораторні методи отримання бутану включають гідрування ненасичених вуглеводнів. Такий процес використовується, наприклад, для бутенів і бутинів, або алкенів і алкінів відповідно. Ненасичені (подвійні та потрійні) зв’язки, присутні в їх молекулах, мають високу реакційну здатність і легко гідруються. Під час цього процесу молекули водню безпосередньо додаються до ненасичених сполук, у результаті чого утворюється молекула з насиченими зв’язками в вуглецевому ланцюзі, наприклад бутан. Інший метод – це так звана реакція Вюрца. Синтез Вюрца спрямований на подовження вуглецевого ланцюга. Ця реакція включає два алкілгалогеніди, які втрачають свої іони хлориду під час обробки натрієм. Їх алкільні ланцюги з’єднуються з одночасним виділенням хлориду натрію.

Характерні реакції бутану

Деякі з основних реакцій бутану – це реакції горіння . Залежно від кількості кисню, який бере участь у реакції, реакція горіння може бути як повною, так і неповною. У першому випадку кількість кисню при горінні необмежена. Кінцевими продуктами такої реакції є вуглекислий газ і вода. Враховуючи кількість отриманої енергії, найкращим є повне згоряння. Однак, якщо кисню недостатньо, відбувається неповне згоряння. Залежно від кількості доступного кисню можливі дві реакції неповного горіння. Продукти неповного згоряння включають або отруйний чадний газ (II) і воду, або вуглець і воду. Бутан є хімічно стійкою сполукою. Однак слід пам’ятати, що він утворює з повітрям вибухову суміш. Він також має вибухові реакції з діоксидом хлору та сильними окислювачами. Він також реагує з пероксидом барію при високій температурі. Важливо, що він не чинить корозійного впливу на метали. До важливих реакцій бутану відноситься також його галогенування . Під час цього процесу бутан зазвичай реагує з хлором або бромом, утворюючи галогенопохідні: хлорбутани та бромбутани відповідно. Важливо відзначити, що наявність чотирьох атомів вуглецю в алкільному ланцюзі дає можливість отримувати різноманітні похідні залежно від місця заміщення хлору або брому. Напрямок заміщення визначається насамперед упорядкованістю атомів Карбону в молекулі. Експериментальні дані чітко показують, що чим вищий порядок атома вуглецю в бутані, тим легше відбувається його заміщення. Хлорування або бромування бутану зазвичай призводить до суміші галогенопохідних. Важливо, що бромування є більш селективною реакцією – при цьому вихід основного продукту сягає до 99%.

Ключові застосування бутану

• Бутан — одна з хімічних сполук, яка використовується в харчовій промисловості . Це одна з речовин, яка використовується у виробництві рослинних олій. До технологічних функцій бутану в першу чергу відноситься участь в утворенні водних емульсій в аерозолях . Це дає змогу виготовляти олії для розпилення, які потім ідеально підходять, наприклад, для змащування деко.
• Сполука є важливим інгредієнтом у хімічній промисловості . Він використовується в ряді синтезів і процесів. Він використовується як розчинник, охолоджувач і реагент у синтезі синтетичного бензину. Він також служить газом-носієм.
• Бутан широко використовується як паливо в портативних газових плитах і балонах для використання, наприклад, у кемпінгах. Також використовується для заправки запальничок. Коли ви натискаєте кнопку, газ, що міститься всередині запальнички, запалюється від контакту з іскрою.
• Сполука діє як газ-носій у таких продуктах, як лаки для волосся, дезодоранти, освіжувачі повітря або фарби-спрей.
• Бутан також є важливим холодоагентом . Він добре підходить для невеликих портативних холодильників для кемпінгу. Обидві ізомерні форми сполуки можна використовувати як холодоагент. В останні роки вони привертають увагу, серед іншого, через їх нижчу ціну порівняно з іншими холодоагентами. Бутан часто використовується в холодильній техніці у вигляді суміші пропан/бутан. Однак слід зазначити, що він погано працює, наприклад, у кондиціонері.
• Бутан можна використовувати як добавку до бензину. збільшити його волатильність. N-бутан, підданий процесам ізомеризації та перетворений на ізобутан, разом із певними вуглеводнями, такими як бутилен, утворюють цінні високооктанові компоненти бензину.

Ключові похідні бутану

Бутанол

Бутанол, або етиловий спирт, є спиртовим похідним бутану. Він може мати дві ізомерні форми: 1-бутанол (n-бутанол) і 2-бутанол (втор-бутанол). Бутанол випускається у вигляді прозорої безбарвної рідини. Його розчинність у воді нижча порівняно з етанолом або пропанолом. Це пов’язано з наявністю в ланцюзі аж чотирьох атомів вуглецю, що призводить до його гідрофобних властивостей. Бутан легко розчиняється в таких сполуках, як бензол , ацетон і діетиловий ефір. В основному використовується в хімічній промисловості. Це один із матеріалів, які використовуються для виробництва складних ефірів , фарб, лаків і смол. Він також використовується як добавка для пластмас . Бутанол є важливим інгредієнтом продуктів, призначених для сільського господарства. З огляду на його властивості, він також використовується як розчинник. Цікаво, що його розглядають як паливо через його властивості, подібні до властивостей бензину.

Бутанова кислота

Кислим органічним похідним бутану є бутанова кислота. Це приклад карбонової кислоти . Однією з його характеристик є те, що в його молекулі є група -COOH. Бутанову кислоту зазвичай називають «масляною кислотою», оскільки її виявлено, серед іншого, у згірклому вершковому маслі. Бутанова кислота — жирна рідина зі специфічним неприємним запахом. Легко змішується з водою та етанолом. Його щільність трохи нижче, ніж у води. Естери бутанової кислоти, такі як бутират натрію, вважаються важливими. Бутанова кислота є перш за все важливим матеріалом для отримання різних ефірів масляної кислоти, наприклад бутирату натрію. Низькомолекулярні ефіри масляної кислоти здебільшого мають приємний аромат і смак. Як наслідок, їх використовують як харчові та парфумерні добавки. Похідні кислоти є дозволеними харчовими ароматизаторами. Завдяки сильному запаху кислота також використовується як добавка до рибальських приманок.