Butan
Obsah boxu
Šablona:Infobox - chemická sloučenina Butan je nasycený uhlovodík ze skupiny alkanů se čtyřmi atomy uhlíku v molekule. Jeho chemický vzorec je C₄H₁₀. Jedná se o vysoce hořlavý, bezbarvý a snadno zkapalnitelný plyn, který se přirozeně vyskytuje v zemním plynu a ropě. Butan má dva izomery: n-butan (s lineárním řetězcem) a isobutan (s rozvětveným řetězcem). Nejčastěji se používá jako palivo, a to buď samostatně, nebo ve směsi s propanem jako LPG (zkapalněný ropný plyn).
📜 Historie
Butan jako chemickou sloučeninu poprvé připravil a popsal britský chemik Edward Frankland v roce 1849. Objevil jej při destilaci ropy a studiu radikálů. Komerční význam butanu však vzrostl až ve 20. století s rozvojem petrochemického průmyslu. Americký chemik Walter O. Snelling v roce 1910 jako první identifikoval propan, butan a další plyny v benzínu jako příčinu jeho těkavosti. Jeho práce vedla k vývoji metod na zkapalňování těchto plynů, což položilo základ pro vznik průmyslu s LPG.
🧪 Vlastnosti
Fyzikální vlastnosti
Butan je za normálních podmínek (teplota 20 °C, tlak 101,325 kPa) bezbarvý plyn s mírným, specifickým zápachem. Pro bezpečnostní účely se do komerčně distribuovaného butanu přidávají odoranty (např. ethanthiol), aby byl jeho únik snadno detekovatelný čichem.
Jeho teplota varu je velmi blízko bodu mrazu vody (−0,5 °C pro n-butan), což znamená, že se snadno zkapalňuje již při mírném stlačení nebo ochlazení. Tato vlastnost je klíčová pro jeho skladování a transport v tlakových nádobách, jako jsou zapalovače nebo plynové kartuše. Je těžší než vzduch, takže při úniku se hromadí v nízko položených místech, což zvyšuje riziko výbuchu. Ve vodě je jen velmi málo rozpustný, ale dobře se rozpouští v organických rozpouštědlech, jako je alkohol nebo ether.
Chemické vlastnosti
Jako alkan je butan relativně málo reaktivní. Jeho nejdůležitější chemickou reakcí je hoření (oxidace).
- Dokonalé spalování: Při dostatečném přísunu kyslíku hoří butan modrým plamenem za vzniku oxidu uhličitého a vodní páry a uvolňuje značné množství energie.
- 2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O
- Nedokonalé spalování: Při nedostatku kyslíku hoří žlutým, kouřivým plamenem a vzniká jedovatý oxid uhelnatý (CO) a saze (čistý uhlík).
- 2 C₄H₁₀ + 9 O₂ → 8 CO + 10 H₂O
Butan může také podléhat radikálové substituci, například halogenaci působením chloru za ultrafialového záření, čímž vznikají různé chlorované deriváty. Při vysokých teplotách (krakování) se štěpí na menší molekuly, jako jsou ethen, propen a další alkeny, které jsou důležitými surovinami v chemickém průmyslu.
🧬 Izomery
Butan existuje ve dvou strukturních izomerech, které mají stejný sumární vzorec (C₄H₁₀), ale odlišné uspořádání atomů a tím i mírně odlišné fyzikální vlastnosti.
n-butan
n-butan (systematický název: butan) má lineární, nerozvětvený řetězec čtyř atomů uhlíku.
- CH₃–CH₂–CH₂–CH₃
Má vyšší teplotu varu (−0,5 °C) a tání (−138,3 °C) než isobutan. Je hlavní složkou paliva do zapalovačů.
Isobutan
Isobutan (systematický název: 2-methylpropan) má rozvětvený řetězec. Tři atomy uhlíku tvoří hlavní řetězec a čtvrtý je navázán na prostřední z nich.
- CH₃–CH(CH₃)–CH₃
Má nižší teplotu varu (−11,7 °C) a tání (−159,6 °C). Díky svým termodynamickým vlastnostem se často používá jako chladivo (označované jako R-600a) v chladničkách a mrazácích nebo jako hnací plyn v aerosolových sprejích.
⚙️ Výroba a získávání
Butan se nezískává cílenou syntézou, ale je vedlejším produktem při zpracování fosilních paliv. Hlavními zdroji jsou:
- Zpracování zemního plynu: Zemní plyn je směs plynů, kde hlavní složkou je methan, ale obsahuje i významné množství ethanu, propanu a butanu. Tyto těžší uhlovodíky se oddělují kryogenní destilací nebo absorpcí.
- Rafinace ropy: Během frakční destilace ropy se butan odděluje jako jedna z lehčích frakcí. Další významné množství vzniká při procesech, jako je fluidní katalytické krakování, kde se delší uhlovodíkové řetězce štěpí na menší a cennější molekuly, včetně butanu.
💡 Využití
Butan má široké spektrum využití díky své vysoké výhřevnosti a snadné zkapalnitelnosti.
- Palivo: Nejběžnější použití je jako palivo. Směs propanu a butanu, známá jako LPG, se používá pro vytápění domácností, vaření, ohřev vody a jako alternativní palivo pro automobily. Čistý butan se používá v přenosných plynových vařičích a v zapalovačích.
- Chladivo: Isobutan (R-600a) je ekologicky šetrnější náhradou za freony (CFC), které poškozovaly ozonovou vrstvu. Dnes je standardním chladivem v domácích chladničkách a mrazničkách.
- Chemický průmysl: n-butan je důležitou surovinou pro výrobu maleinanhydridu, který se používá při výrobě pryskyřic a polymerů. Katalytickou dehydrogenací butanu se vyrábí butadien, klíčový monomer pro výrobu syntetického kaučuku.
- Hnací plyn (propelent): Isobutan a směsi propan-butan se používají jako hnací plyny v aerosolových sprejích, jako jsou deodoranty, laky na vlasy nebo osvěžovače vzduchu.
- Přísada do benzínu: Butan se přidává do benzínu pro zvýšení jeho oktanového čísla a zlepšení těkavosti, zejména v zimních měsících pro lepší startování studeného motoru.
⚠️ Bezpečnost a rizika
Butan je extrémně hořlavý a se vzduchem tvoří výbušnou směs v koncentracích mezi 1,8 % a 8,4 %. Nádoby s butanem musí být chráněny před teplem a zdroji zapálení.
Z hlediska toxicity je butan považován za málo jedovatý, ale má narkotické účinky. Při vysokých koncentracích působí jako asfyxiant, což znamená, že vytlačuje kyslík ze vzduchu a může způsobit udušení. Zneužívání butanu inhalací (tzv. "huffing") je extrémně nebezpečné a může vést k srdeční arytmii, zástavě srdce (tzv. "Sudden Sniffing Death Syndrome"), poškození mozku, jater a ledvin.
Kontakt s kapalným butanem může způsobit vážné omrzliny kvůli jeho rychlému odpařování a odebírání tepla z pokožky.
🌍 Dopad na životní prostředí
Butan je těkavá organická látka (VOC). Při úniku do atmosféry se podílí na tvorbě přízemního ozonu, který je hlavní složkou fotochemického smogu a škodí lidskému zdraví i vegetaci.
Jako skleníkový plyn má butan relativně nízký potenciál globálního oteplování (GWP) ve srovnání s oxidem uhličitým, ale jeho spalováním CO₂ vzniká. Přesto je jeho použití jako chladiva (isobutan) považováno za ekologicky výrazně šetrnější než používání starších fluorovaných uhlovodíků (CFC a HFC).
🤔 Pro laiky
Představte si butan jako velmi krátký řetízek složený ze čtyř korálků (atomů uhlíku), na který je navěšeno deset menších korálků (atomů vodíku). Tento řetízek je tak lehký, že za normální teploty poletuje ve vzduchu jako plyn.
- Proč je v zapalovači tekutý? Když tento plyn stlačíte do malého prostoru (jako je zapalovač), molekuly se k sobě přiblíží a zkapalní. Jakmile stisknete tlačítko, tlak se uvolní a kapalina se okamžitě změní zpět na plyn, který můžete zapálit.
- Co je to izomer? Představte si, že máte čtyři kostičky Lego. Můžete je poskládat do jedné dlouhé řady (to je n-butan), nebo můžete tři dát do řady a tu čtvrtou přicvaknout na prostřední kostičku (to je isobutan). V obou případech jste použili stejný počet kostiček, ale výsledek vypadá jinak a má trochu jiné vlastnosti.
- Je nebezpečný? Ano, hlavně proto, že je extrémně hořlavý. Uniklý plyn se může snadno vznítit od jiskry nebo plamene. Také je nebezpečné ho vdechovat, protože v plicích zabírá místo kyslíku, který potřebujeme k dýchání.