24.3. Propan
Propan ist ein einfach aufgebauter Vertreter der aliphatischen Kohlenwasserstoffe. Seine Moleküle haben 3 Kohlenstoffatome. Seine Formel lautet C3H8 .
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Ansehen : Starten Sie die JSmol–Visualisierung durch Anklicken des Links unter Bild 3. Sehen Sie sich das Molekül in der Kugel–Stab–Darstellung, der Kalottendarstellung und der Nur–Bindungs–Darstellung an.
24.3.1. Struktur
Das Molekül ist so aufgebaut, wie man es erwartet. Die 3 Kohlenstoffatome bilden eine Kette, sie sind tetraedrisch koordiniert. Um die C–C–Bindung ist freie Drehbarkeit möglich.
- Mehr über Atome mit tetraedrischer Koordination in Kapitel 6.1.3.
- Mehr über freie Drehbarkeit um Einfachbindungen in Kapitel xxx.
24.3.2. Vorkommen und Herstellung
Propan stammt im Wesentlichen aus einer einzigen Quelle, dem Erdgas. Erdgas, das aus einer Lagerstätte gefördert wird, enthält 1 bis 12 Prozent Propan. Der Gehalt ist von der Art der Lagerstätte abhängig. Erdgas, das an Haushalte zum Heizen geliefert wird, hat in der Regel nur noch einen Propangehalt von einem Prozent oder weniger. Das übrige Propan wurde entfernt.
Um Propan (und andere Alkane) vom Methan, dem Hauptbestandteil des Erdgases, abzutrennen, gibt es 2 Methoden. Die erste Methode ist die Absorptionsmethode. Dazu wird Erdgas durch Öl geleitet. Dieses Öl löst Ethan, Propan, Butan und Pentan, aber fast kein Methan. Beim anschließenden Destillieren entweichen die Gase wieder. Dieses Gasgemisch enthält also Ethan, Propan, Butan und Pentan. Durch Abkühlen kondensieren die Gase, zuerst die am höchsten siedenden, nämlich Pentan und Butan. Sie kann man auf diese Weise zu 90 % (Pentan) bzw. 75 % (Butan) gewinnen. Für die niedriger siedenden Bestandteile Ethan und Propan ist das Verfahren weniger effektiv.
Bei der zweiten Methode wird das Erdgas auf ca. –90°C abgekühlt. Bei dieser Temperatur kondensieren Ethan, Propan, Butan und Pentan, nicht aber Methan. Das Gemisch der kondensierten Gase wird destilliert und dadurch in seine Bestandteile aufgespalten.
24.3.3. Verwendung
Obwohl es dafür viel zu schade ist (denken Sie an die aufwendige Herstellung), wird das meiste Propan verbrannt.
Im Handel findet man es in Stahlflaschen unter den Namen Propangas oder Flüssiggas. Was ist in diesen Flaschen enthalten ? Jedenfalls ist es kein gasförmiges Propan. Vielmehr geht man von Propan oder Butan (oder einem Gemisch der beiden) aus. Beide Stoffe sind bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmig. Durch Anwendung von Druck kondensieren sie und man erhält, wieder bei Raumtemperatur, eine Flüssigkeit. Sie ist in den Propangas– oder Flüssiggasflaschen.
- In Deutschland und nördlichen Ländern benutzt man oft Propan mit nur geringen Anteilen (unter 5 %) an Propen, Ethan und Butan. Es kommt unter den Namen Propangas oder Flüssiggas in den Handel.
- Rund ums Mittelmeer ist es aufgrund der höheren Temperaturen sinnvoller, Gemische aus Propan und Butan zu benutzen, bei denen der Butananteil oft mehr als die Hälfte ausmacht. Solche Gemische nennt man meist Flüssiggas. Propangas und Flüssiggas, wie in diesem und dem vorigen Punkt beschrieben, benutzt man für alle im folgenden genannten Aufgaben, ausgenommen den Antrieb von Kraftfahrzeugen.
- Nur zum Antrieb von Kraftfahrzeugen benutzt man Gemische mit einem Propananteil von 40 bis 60 %, je nachdem in welcher Klimazone (Nordeuropa/Südeuropa) und zu welcher Jahreszeit es eingesetzt wird. Natürlich ist in warmen Umgebungen der Propananteil niedriger. Diese Gemische heißen Autogas, LPG oder GPL und sollten nicht mit LNG oder CNG verwechselt werden.
Insgesamt ist in warmen Umgebungen (Süden/Sommer) der Propananteil niedriger. Der Grund ist nicht etwa, dass ein stärker butanhaltiges Gemisch einen höheren Siedepunkt hat – der liegt immer unter 0 °C. Wichtiger ist, dass der Dampfdruck (und damit auch der Druck in der Gasflasche) eines solchen Gemisches niedriger ist.
Und warum verbrennt man Propan oder ein Propan/Butan–Gemisch ? Der Vorteil, den Flüssiggas oder Autogas bietet, ist seine leichte Handhabbarkeit. Bei Raumtemperatur wird es bereits bei einem Druck von etwa 8 bar flüssig. Das ist wenig im Vergleich zu den etwa 200 bar, mit denen Erdgas in Erdgasautos gespeichert wird. Um allen Sicherheitsanforderungen zu genügen, müssen Flüssiggasflaschen einen Überdruck von 30 bar aushalten. Einen solchen Dampfdruck entwickelt Propan erst bei über 75 °C, Butan bei noch höheren Temperaturen. Zum Vergleich : Der Prüfdruck für Erdgasdruckbehälter in Erdgasautos liegt bei 600 bar.
Außer dem Verbrennen gibt es nur wenige andere Verwendungsmöglichkeiten für Propan. Dazu gehören
- Kältemittel in industriellen Kälteanlagen (hier ersetzt es die umweltschädlichen Fluorchlorkohlenwasserstoffe) und in der Wärmepumpentechnik. Es wird dort unter der Bezeichnung R 290 benutzt.
- Lebensmittelzusatzstoff (E944) nur für die gewerbliche Verwendung.
24.3.4. Physikalische Eigenschaften
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| Steckbrief Propan | |
| Summenformel | C3H8 |
| Schmelzpunkt | –187,6 °C |
| Siedepunkt | –42,1 °C |
| Dichte von flüssigem Propan bei –42,1 °C | 582 g/l |
| Dichte von gasförmigem Propan bei –42,1 °C und 1,013 bar | 2,423 g/l |
| Dichte von gasförmigem Propan bei 15 °C und 1,013 bar | 1,91 g/l |
| Dampfdruck bei 21 °C | 0,87 MPa = 8,7 bar |
| kritische Temperatur | 96,6 °C |
| kritischer Druck | 4,25 MPa = 42,5 bar |
| Löslichkeit in Wasser bei 20 °C und 1,013 bar | 0,077 g/l |
| Viskosität bei 20 °C | 0,110 ⋅ 10–3 ⋅ N ⋅ s / m2 |
| CAS–Nr. | 74–98–6 |
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Propan – ein ungewöhnlicher Stoff
Flüssiges Propan bei einer Temperatur von 20 °C (unter Druck) ist einer der Stoffe mit der niedrigsten Viskosität überhaupt.
- Mehr über die Gründe, warum die Viskosität von Propan so niedrig ist, erfahren Sie in Kapitel 15.3.
- Einen Vergleich mit der Viskosität von Propan mit der von anderen Stoffen finden Sie in Kapitel 15.5.2.
Soll man den Siedepunkt von Propan niedrig oder hoch nennen ? Das kommt darauf an, womit man ihn vergleicht.
- Eine Erklärung, warum der Siedepunkt von Propan so ist, wie er ist, und einen Vergleich mit den Siedepunkten anderer Stoffe finden Sie in Kapitel xxx.
Unter den organischen Verbindungen hat Propan den niedrigsten Schmelzpunkt. Eine Begründung, warum das so ist, finden Sie in Kapitel xxx – demnächst.
24.3.5. Die Kristallstruktur von Propan
Wie werden sich die Propanmoleküle in einem Kristall anordnen ? Es lohnt schon, sich einige Gedanken zu dieser Frage zu machen, und dann zu sehen, ob die Erwartungen eingetroffen sind.
Alle Bindungen im Propanmolekül sind unpolar, denn die beteiligten Atome (Kohlenstoff und Wasserstoff) haben fast gleiche Elektronegativität. Es sind also so gut wie perfekte kovalente Bindungen (→ Kapitel 5.3). Das hat zur Folge, dass auch die Propanmoleküle unpolar sind, und dass zwischen den Propanmolekülen nur Dispersionskräfte (van–der–Waals–Kräfte, → Kapitel 5.9.) wirken. Zu erwarten ist, dass die Anordnung der Propanmoleküle im Kristall nicht durch elektrostatische Kräfte bestimmt wird, sondern ausschließlich durch die Geometrie der Moleküle.
Und welche Geometrie hat ein Propanmolekül ? Sie sehen es in Bild 3. Es ist gewinkelt, mit einem Winkel von 109,5° (Tetraederwinkel) zwischen den beiden C–C–Bindungen. Und wie ordnet man solche Winkelmoleküle geschickt an ? In einer Richtung ist das kein Problem. Man kann sie stapeln. Was in den anderen beiden Raumrichtungen passieren wird, lässt nicht so einfach vorhersagen. Man muss es messen.
Bild 4 : Propankristall, Ausschnitt. Eine Elementarzelle ist markiert.
Daten aus L–297.
Bildnachweis.
Entsprechende Untersuchungen wurden 2013 durchgeführt (L–297). Die Ergebnisse sehen Sie in Bild 4. Das Bild zeigt 2 x 2 x 2, also 8 Elementarzellen des Propankristalls. Die Form der Elementarzelle weicht nur ganz wenig von der Quaderform ab, und in Bild 4 betrachten wir sie fast entlang der x–Richtung.
Schnell fällt an Bild 4 auf, dass immer 2 Propanmoleküle hintereinander liegen. Die beiden liegen in unterschiedlichen Elementarzellen, und wenn man einen größeren Ausschnitt des Kristalls betrachtet, wird man sehr viele gleiche Moleküle direkt hintereinander finden. Die erste Erwartung, bei der es um die Stapelbarkeit der Moleküle geht, ist eingetroffen.
Wie sieht es mit Anordnung in y– und in z–Richtung aus ? Als erstes kann man sich klarmachen, dass in jeder Elementarzelle 4 Propanmoleküle sind. Alle 4 haben unterschiedliche Orientierung, das heißt, ihre Lage in der Bildschirmebene (y–z–Ebene) ist unterschiedlich. Manchmal hat man den Eindruck, dass die C–C–Bindungen zweier benachbarter Moleküle parallel sind. Das ist sicher ein Baustein für gute Platzausnutzung, aber eben nur ein Baustein. Es sieht nicht so aus, als würden sich Propanmoleküle gut stapeln lassen.
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