Προπάνιο

Ονοματολογία

Η ονομασία «προπάνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «προπ-» δηλώνει την παρουσία  τριών (3) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-αν-» δείχνει την παρουσία μόνο απλών δεσμών μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες με χαρακτηριστικές καταλήξεις, δηλαδή ότι είναι ένας υδρογονάνθρακας, αφού η ονομασία δεν αναφέρει χαρακτηριστικές ομάδες ούτε ως προθέματα. Ο κωδικός R-290 παράγεται ως εξής: Το R προέρχεται από την αγγλόφωνη λέξη Refrigerant. Το πρώτο ψηφίο (2) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 2+1 = 3 άτομα άνθρακα (ανά μόριο). Το δεύτερο ψηφίο (9) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 9 - 1 = 8 άτομα υδρογόνου. Και, τέλος, το τελευταίο ψηφίο (0), σημαίνει ότι η ένωση περιέχει μηδέν (0) άτομα φθορίου.

Ιστορία

Το προπάνιο ταυτοποιήθηκε αρχικά ως πτητικό συστατικό της βενζίνης από τον Δρ. Γουάλτερ Ο. Σνέλλινγκ (Walter O. Snelling) της Υπηρεσίας Ορυχείων των ΗΠΑ (U.S. Bureau of Mines) το 1910. Η πτητικότητα αυτών των ελαφρύτερων υδρογονανθράκων οδήγησε στο να είναι γνωστοί ως «άγριοι» (wild), εξαιτίας της μεγάλης τάσης ατμών της αδιύλιστης βενζίνης. Συγκεκριμένα, στις 31 Μαρτίου του 1910 οι New York Times δημοσίευσαν την εργασία του Δρ. Σνέλλινγκ για το υγροποιημένο αέριο (υγραέριο) με την παρακάτω έκφραση (σε απόδοση στα Ελληνικά): «... μια χαλύβδινη φιάλη θα μεταφέρει αρκετό (υγραέριο) για ένα συνηθισμένο σπίτι για τρεις εβδομάδες.».
Κατά την ίδια περίοδο ο Δρ. Σνέλλιγκ, σε συνεργασία με τους Φρανκ Πέτερσον, Τσάστερ Κερρ και Άρθουρ Κερρ, βρήκαν τρόπους για να υγροποιήσουν τα υγραέρια κατά τη διύλιση της φυσικής βενζίνης. Μαζί ίδρυσαν την American Gasol Co, την πρώτη εταιρία που έβγαλε στην αγορά το προπάνιο. Ο Δρ. Σνέλλιγκ παρήγαγε καθαρό προπάνιο το 1911 και στις 25 Μαρτίου 1913 κατοχύρωσε τη σχετική πατέντα #1,056,845. Μια διαφορετική μέθοδος παραγωγής υγραερίου μέσω συμπίεσης δημιουργήθηκε από τον Φρανκ Πέτερσον και κατοχυρώθηκε το 1912.
Η ετήσια παραγωγή υγραερίου αυξήθηκε, από 844.147 λίτρα το 1922, σε 3.785.412 λίτρα το 1927 και έπειτα σε 211.983.060 λίτρα το 1935. Μεγάλες βιομηχανικές εξελίξεις από τη δεκαετία του 1930, όπως τα οχήματα και βαγόνια μεταφοράς υγραερίου, και η κατασκευή συσκευών τοπικής γέμισης φιαλών, διευκόλυναν ακόμη περισσότερο τη μεταφορά και τη χρήση του καυσίμου. Το 1945 η ετήσια παραγωγή υγραερίου έφτασε το 3.785.411.784 λίτρα. Το 1947 το 62% των οικιών στις ΗΠΑ ήταν εφοδιασμένες με εστίες μαγειρέματος που χρησιμοποιούσαν φυσικό αέριο ή προπάνιο.
Το 1950 3.785 λίτρα παραγγέλθηκαν από τη  Chicago Transit Authority προπανιοκίνητα λεωφορεία και από το 1958 οι ετήσιες πωλήσεις υγραερίου στις ΗΠΑ (μόνο) έφτασαν τα 26.497.882.488 λίτρα. Το 2004 η βιομηχανία υγραερίου στις ΗΠΑ έφτασε τις ετήσιες πωλήσεις υγραερίου στο ύψος πάνω από 56.781.176.760 λίτρα, αξίας 8-10 δις δολλαρίων.
Η ρίζα «προπ-» στην ονομασία της ένωσης προπάνιο, που χρησιμοποιείται γενικά, από τη συστηματική κατά IUPAC ονομασία, για να ονομάσει και άλλες ενώσεις με τριμελή ανθρακική αλυσίδα, προέρχεται από τη λέξη «προπιονικό οξύ» (μη συστηματικό όνομα του προπανικού οξέος, του αντίστοιχου καρβοξυλικού οξέος με επίσης τριμελή ανθρακική αλυσίδα).

Σύνθεση από πρώτες ύλες με μικρότερη ανθρακική αλυσίδα

1. Με αντίδραση αιθυλολιθίου (CH₃CH₂Li) και αλομεθανίου (CH₃X) ή αλαιθανίου (CH₃CH₂Χ) και μεθυλολιθίου (CH₃Li): 
2. Με αντίδραση Würtz, αλλά είναι ασύμφορη γιατί παράγεται μείγμα:
3. Με παρεμβολή μεθυλενίου ([:CH₂]) σε αιθάνιο (CH₃CH₃):

Με υδρογόνωση ακόρεστων υδρογονανθράκων

1. προπενίου (CH₃CH=CH₂)
2. προπινίου (CH₃C ≡ CH) :
3. προπαδιενίου (CH₂=C=CH₂):
4. κυκλοπροπανίου ():

Με αναγωγή οξυγονούχων ενώσεων

1. Με αναγωγή προπανάλης (CH₃CH₂CHO) - Αντίδραση Wölf-Kishner
2. Με αναγωγή προπανόνης (CH₃COCH₃)- Αντίδραση Clemmensen

Με αναγωγή θειούχων ενώσεων

1. Με αναγωγή των κατάλληλων θειολών μπορεί να παραχθεί προπάνιο. Π.χ. από την αναγωγή της 1-προπανοθειόλης (μέθοδος Raney):
2. Με αναγωγή των κατάλληλων θειεστέρων μπορεί να παραχθεί προπάνιο. Π.χ. από την αναγωγή του διπροπυλοθειαιθέρα (μέθοδος Raney):

Καταλυτική οξυγόνωση

Παράγεται (κυρίως) προπανόνη:

Αντίδραση με διοξιράνιο

Το προπάνιο οξειδώνεται από το διοξιράνιο, παράγοντας (κυρίως) προπανόνη:

Περιφθορίωση

Το προπάνιο αντιδρά με το τριφθοριούχο κοβάλτιο, αντικαθιστώντας όλα τα άτομα υδρογόνου με άτομα φθορίου, παράγοντας έτσι οκταφθοροπροπάνιο:

Καταλυτική αφυδρογόνωση

Το κύριο προϊόν καταλυτικής αφυδρογόνωσης προπανίου είναι το προπένιο:

Εφαρμογές

Το προπάνιο αποτελεί δημοφιλή επιλογή για ψησταριές και φορητές εστίες, γιατί ή (σχετικά) χαμηλή θερμοκρασία βρασμού του, δηλαδή −42 °C, το κάνει να εξατμίζεται αμέσως μόλις απελευθερωθεί από τη φιάλη όπου περιέχεται υπό συμπίεση. Γι' αυτό η χρήση του δεν απαιτεί καρμπιρατέρ ή άλλη συσκευή εξάτμισης και ανάμειξης με τον ατμοσφαιρικό αέρα, για να δημιουργηθεί καύσιμο μείγμα για την ανάφλεξη, εξοικονομώντας έτσι κόστος, πολυπλοκότητα και βάρος στις συσκευές που το χρησιμοποιούν. Το προπάνιο χρησιμοποιήθηκε ως καύσιμο σε κάποια τραίνα, λεωφορεία, ανυψωτικά, ταξί, εκχιονιστικά μηχανήματα και διάφορα άλλα οχήματα καθώς και για θέρμανση χώρου, μαγείρεμα ιδιαίτερα σε τροχόσπιτα και κάμπινγκ, αλλά και σε βραστήρες νερού και ξηραντήρες. Αφού μπορεί να μεταφερθεί εύκολα, είναι επίσης δημοφιλές και ως καύσιμο οικιακής θέρμανσης και ηλεκτρογεννητριών σε περιοχές έξω από το δίκτυο των αγωγών φυσικού αερίου.
Το προπάνιο γενικά αποθηκεύεται και μεταφέρεται σε χαλύβδινους κυλίνδρους εν μέρει σε υγροποιημένη κατάσταση και εν μέρει σε αέρια κατάσταση ατμών του, σε όσο χώρο αφήνει ελεύθερο το υγρό. Η τάση ατμών στον κύλινδρο συναρτάται από τη θερμοκρασία. Όταν αντλείται εξαερωμένο προπάνιο με υψηλό ρυθμό, η αναγκαία θερμότητα εξαέρωσης του υγρού υγραερίου ψύχει το περιεχόμενο του δοχείου. Αυτό κάνει την υγρασία γύρω από το δοχείο να σχηματίζει σταγονίδια ως και παγοκρυστάλλους πάνω στην επιφάνεια του δοχείου, εφόσον φυσικά υπάρχει τριγύρω αρκετή υγρασία, ώστε να γίνει το ορατό το φαινόμενο, αλλά και αν παραχθεί επαρκής ψύξη. Επιπλέον, στο υγραέριο μείγμα, εξατμίζονται πρώτα οι ελαφρύτερες ενώσεις, που έχουν και υψηλότερο αριθμό οκτανίων,  και μετά οι βαρύτερες, με χαμηλότερο αριθμό οκτανίων.  Έτσι, οι ιδιότητες ανάφλεξης αλλάζουν καθώς αδειάζουν τα δοχεία αποθήκευσης.Για τους λόγους αυτούς, το υγρό υγραέριο συχνά αντλείται χρησιμοποιώντας σωλήνα εμβάπτισης, ώστε να αποφευχθούν τα παραπάνω περιγραφόμενα φαινόμενα, αν θεωρούνται επαρκώς ανεπιθύμητα ώστε να δικαιολογούν το επιπλέον κόστος.
Το εμπορικά διαθέσιμο «προπάνιο» καύσιμο ή «υγραέριο» (LPG) , δεν είναι χημικά καθαρό. Τυπικά, στις ΗΠΑ και στον Καναδά, το «προπάνιο» αποτελείται όντως κυρίως από προπάνιο (τουλάχιστον 90%), αλλά το υπόλοιπο 10% είναι κυρίως αιθάνιο, προπένιο, βουτάνιο και οσμοθέτες που συμπεριλαμβάνουν την αιθανοθειόλη. Αυτό είναι το αποκαλούμενο πρότυπο HD-5, ορισμένο από την Αμερικανική Κοινωνία Ελέγχου και Υλικών (American Society for Testing and Materials), με πρότυπα από το 1835, για μηχανές εσωτερικής καύσης. Δεν συμμορφώνονται όλα τα προϊόντα υγραερίου με το παραπάνω πρότυπο. Στο Μεξικό, για παράδειγμα, τα δοχεία με ένδειξη «LPG», που αντιστοιχούν στο υγραέριο, έχουν μέση σύνθεση 60% προπάνιο και 40% βουτάνιο. Η ακριβής σύνθεση του υγραερίου ποικίλλει από χώρα σε χώρα, και εξαρτάται από τις διεθνείς τιμές, τη διαθεσιμότητα κάθε σχετικής χημικής ένωσης και τις κλιματικές συνθήκες, οι οποίες ευνοούν υψηλότερη συγκέντρωση βουτανίου, στις θερμότερες περιοχές, και την υψηλότερη συγκέντρωση προπανίου, στις ψυχρότερες.

Κίνδυνοι από τη χρήση και πρακτικές αποθήκευσης αερίων καυσίμων

Το προπάνιο είναι πυκνότερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Αν υπάρξει μια διαρροή προπανίου, το αέριο έχει την τάση να βυθιστεί σε κάθε κλειστό χώρο και έτσι δημιουργεί έναν κίνδυνο για έκρηξη και πυρκαγιά. Ένα τυπικό σενάριο ενός κυλίνδρου αποθήκευσης με διαρροή είναι βασικό. Η διαρροή προπανίου «έρπει» κατά μήκος του πατώματος και οδηγείται σε κάποια εστία, με αποτέλεσμα μια έκρηξη ή και πυρκαγιά. Αυτή του η ιδιότητα κάνει το προπάνιο γενικά ακατάλληλο ως καύσιμο σε σκάφη.
Το προπάνιο αγοράζεται και αποθηκεύεται σε μια υγρή μορφή, δηλαδή ως υγραέριο (liquid Petrol Gas, LPG). Έτσι σημαντική καύσιμη ενέργεια μπορεί να αποθηκευθεί σε σχετικά μικρό χώρο. Το συμπιεσμένο φυσικό αέριο (Compressed Natural Gas, CNG), που είναι κυρίως μεθάνιο, είναι ένα άλλο αέριο καύσιμο, αλλά δεν μπορεί να υγροποιηθεί με τη συμπίεση, στις συνηθισμένες θερμοκρασίες, γενικά δηλαδή σε όλες τις θερμοκρασίες που είναι πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία του. Ως ένα αέριο, απαιτεί πολύ υψηλή πίεση για να αποθηκευθεί σε χρήσιμες ποσότητες. Αυτό δημιουργεί τον κίνδυνο, σε περίπτωση ατυχήματος δηλαδή, όπως σε κάθε κύλινδρο συμπιεσμένου αερίου, ένας κύλινδρος με συμπιεσμένο φυσικό αέριο μπορεί να εκραγεί με μεγάλη δύναμη, ή να έχει μια αρκετά γρήγορη διαρροή ώστε να μετατραπεί σε ένα αυτοπροωθούμενο βλήμα. Για όλους αυτούς τους λόγους, το συμπιεσμένο φυσικό αέριο είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματικό στην αποθήκευση, αφού απαιτεί μεγάλο κύλινδρο, που καταλαμβάνει σχετικά μεγάλο χώρο.  Ένα εναλλακτικό μέσο αποθήκευσης φυσικού αερίου είναι ως ένα κρυογονικό υγρό σε ένα μονωμένο δοχείο υγροποιημένου φυσικού αερίου (Liquefied Natural Gas, LNG). Σε αυτήν τη μορφή αποθήκευσης σε χαμηλή πίεση η αποτελεσματικότητα αποθήκευσης είναι περίπου 3,5 φορές μεγαλύτερη από ότι η αποτελεσματικότητα αποθήκευσης του συμπιεσμένου φυσικού αερίου. Αντίθετα από το προπάνιο, αν υπάρξει μια διαρροή φυσικού αερίου, αυτό θα διαχυθεί χωρίς πρόβλημα στον αέρα, γιατί το φυσικό αέριο είναι ελαφρύτερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Το προπάνιο χρησιμοποιείται πολύ συχνότερα ως καύσιμο οχημάτων από το φυσικό αέριο, γιατί ο εξοπλισμός που απαιτεί η χρήση του στοιχίζει λιγότερο. Το προπάνιο απαιτεί 1.220 kPa πίεσης για να διατηρηθεί υγρό στη θερμοκρασία των 37,8 °C.
Το προπάνιο είναι μη τοξικό, αλλά μπορεί να προκαλέσει ασφυξία, λόγω εκτοπισμού, από αυτό, του (ελαφρύτερου) οξυγόνου. Οι εμπορικές συσκευασίες προπανίου, περιέχουν και άλλους (συχνά βαρύτερους) υδρογονάνθρακες, που μπορεί να αυξήσουν τον κίνδυνο (της ασφυξίας). Επίσης, η απότομη εκτόνωση υγρού προπανίου προκαλεί ψύξη του περιβάλλοντος χώρου, που είναι δυνατό να προκαλέσει ελαφρά κρυοπαγήματα.