Бутан

Бутан — это органическое соединение, насыщенный углеводород (алкан) с химической формулой C₄H₁₀. Относится к классу парафиновых углеводородов. При нормальных условиях представляет собой бесцветный горючий газ без запаха (технические сорта могут иметь характерный запах из-за добавления одорантов). Бутан является одним из основных компонентов сжиженных углеводородных газов (СУГ) и широко используется в качестве топлива, хладагента и сырья в нефтехимической промышленности.

История открытия и изучения

Бутан был впервые выделен и описан в 1864 году английским химиком Эдвардом Франклендом. В ходе экспериментов по разложению этилового спирта под действием цинка он получил газ, который назвал «бутил-водородом». Позднее, в 1866 году, немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман предложил систематическое название «бутан», образованное от названия масляной кислоты (лат. butyrum — масло), так как первые представители этого ряда углеводородов были получены из масляной кислоты.

Промышленное значение бутан приобрёл в начале XX века с развитием нефтепереработки и газодобычи. В 1910-х годах в США началось использование сжиженного бутана для бытовых нужд, а к 1930-м годам были разработаны технологии его массового получения из попутного нефтяного газа и природного газа.

Изомеры и физические свойства

Бутан существует в виде двух структурных изомеров:

• н-бутан (нормальный бутан, CH₃-CH₂-CH₂-CH₃) — линейная цепь из четырёх атомов углерода.
• изобутан (2-метилпропан, (CH₃)₃CH) — разветвлённая цепь с третичным атомом углерода.

Различия в строении приводят к заметным отличиям в физических свойствах:

Оба изомера практически нерастворимы в воде, хорошо растворяются в органических растворителях (этанол, эфир, бензол). Бутан — один из наиболее легко сжижаемых газов: при комнатной температуре он переходит в жидкое состояние под давлением около 2–3 атмосфер.

Химические свойства

Бутан, как и все алканы, обладает низкой реакционной способностью при нормальных условиях. Он не взаимодействует с сильными кислотами, щелочами и окислителями (например, перманганатом калия). Основные типы химических реакций:

• Горение: C₄H₁₀ + 6,5 O₂ → 4 CO₂ + 5 H₂O + Q (выделяется около 45,8 МДж/кг). При недостатке кислорода образуются сажа (C), угарный газ (CO) и вода.
• Галогенирование: при нагревании или на УФ-свете атомы водорода замещаются на хлор или бром. Реакция идёт по радикальному механизму с образованием смеси моно- и полигалогенпроизводных.
• Крекинг: при высоких температурах (500–700 °C) без доступа воздуха молекула бутана распадается на более лёгкие углеводороды (метан, этан, этилен, пропилен).
• Дегидрирование: при 500–600 °C в присутствии катализаторов (Cr₂O₃/Al₂O₃) бутан превращается в бутены (бутен-1, бутен-2) и бутадиен.
• Изомеризация: на кислотных катализаторах (AlCl₃, H₂SO₄) н-бутан обратимо превращается в изобутан.

Получение

Основные промышленные источники бутана:

1. Природный и попутный нефтяной газ. Бутан содержится в газоконденсатных месторождениях (обычно 1–5 % объёма). Из попутного газа нефтяных скважин его извлекают методами низкотемпературной конденсации или абсорбции.
2. Нефтепереработка. В процессе каталитического крекинга и риформинга нефтяных фракций образуются газовые потоки, содержащие бутан. На установках газофракционирования его выделяют ректификацией.
3. Синтез из природного газа. По технологии Фишера–Тропша из синтез-газа (CO + H₂) можно получать смесь углеводородов, включая бутан, но этот метод экономически менее выгоден.

В лабораторных условиях бутан получают реакцией Вюрца (взаимодействие этилбромида с натрием) или гидрированием бутенов.

Применение

Топливо

Бутан — важнейший компонент сжиженных углеводородных газов (СУГ), используемых в качестве моторного топлива для автомобилей (пропан-бутановые смеси), бытового газа (баллоны для плит и отопления) и промышленного топлива. В России бутан входит в состав газов марок СПБТ (смесь пропана и бутана техническая) и БТ (бутан технический). Высокая теплота сгорания и удобство хранения в сжиженном виде делают его популярным в регионах, не подключённых к магистральным газопроводам.

Хладагент

Изобутан (R-600a) широко применяется в холодильной технике как экологически безопасный хладагент. Он не разрушает озоновый слой (озоноразрушающий потенциал равен 0) и имеет низкий потенциал глобального потепления (GWP = 3). В бытовых холодильниках и морозильниках изобутан практически полностью заменил фреоны R-12 и R-134a. Однако из-за горючести (класс A3 по стандарту ISO 817) его использование требует особых мер безопасности.

Нефтехимическое сырьё

Бутан служит исходным сырьём для получения:

• Бутенов (дегидрированием) — мономеров для синтеза синтетического каучука, полиизобутилена, метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ).
• Бутадиена (двухстадийным дегидрированием) — основного мономера для производства синтетических каучуков (бутадиен-стирольного, бутадиен-нитрильного) и пластмасс (АБС-пластик).
• Уксусной кислоты (жидкофазным окислением).
• Малеинового ангидрида (каталитическим окислением).

Аэрозольный пропеллент

Бутан (обычно смесь с пропаном) используется как вытесняющий газ в аэрозольных баллончиках (лаки, краски, дезодоранты, средства бытовой химии). Он инертен к большинству содержимого и легко сжижается.

Безопасность и экология

Бутан — горючий газ (температура самовоспламенения 405–450 °C). С воздухом образует взрывоопасные смеси в диапазоне концентраций 1,5–8,5 % объёмных. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 300 мг/м³ (для н-бутана) и 300 мг/м³ (для изобутана). При вдыхании высоких концентраций вызывает наркотическое действие, головокружение, тошноту; может привести к удушью из-за вытеснения кислорода.

При утечках бутан, будучи тяжелее воздуха (плотность около 2,0 по отношению к воздуху), скапливается в низких местах — подвалах, приямках, колодцах, что увеличивает взрывопожароопасность. Для обнаружения утечек в бытовой газ добавляют одоранты (например, этилмеркаптан), придающие газу резкий неприятный запах.

В экологическом плане бутан относится к парниковым газам (потенциал глобального потепления для изобутана — 3, для н-бутана — 4). При неполном сгорании образует угарный газ и сажу. В отличие от хлорфторуглеродов, не разрушает озоновый слой.

Правовое регулирование в России

В Российской Федерации оборот сжиженных углеводородных газов, включая бутан, регулируется Федеральным законом № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (бутан относится к горючим газам, объекты его хранения и переработки — к категории опасных). Транспортировка бутана автомобильным и железнодорожным транспортом подчиняется правилам перевозки опасных грузов (класс 2, подкласс 2.1). Розничная продажа бытового газа в баллонах осуществляется только через специализированные пункты обмена.

Источники

1. Петров А. А. Химия алканов. — М.: Наука, 1974.
2. Справочник нефтехимика / Под ред. С. К. Огородникова. — Л.: Химия, 1978. — Т. 1.
3. ГОСТ Р 52087-2018 «Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия».
4. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Гл. ред. Н. С. Зефиров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 4.
5. Харлампович Г. Д., Чуркин Ю. В. Фенолы. — М.: Химия, 1974.