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뷰테인
뷰테인(영어: Butane) 또는 부탄(독일어: Butan)은 알칸족 탄화수소이다.
화학식은 C₄H₁₀이고, 노말-뷰테인(n-butane) 외에 아이소뷰테인(Isobutane) 이성질체가 있다.
뷰테인은 상온에서 액체로 쉽게 변하는 무색 및 무향의 기체이며, 가연성이기 때문에 연료로 많이 쓰인다. 뷰테인 가스도 뷰테인을 사용해 만들었는데, 많은 나라에서 19세, 20세, 21세 미만에게 뷰테인 가스를 팔지 못하게 하고 있다. (대한민국의 경우, 만 19세 미만은 뷰테인 가스를 사지 못한다.) 뷰테인 가스에서 냄새가 나는 이유는 가스가 용기에서 새어 나올 경우 사람이 인지할 수 있도록 첨가한 부취제(착취제, 불황성 황화합물)의 냄새이다.
몰질량은 58.124g/mol이다.
개요[편집]
뷰테인(butane)은 분자식이 C₄H₁₀이며 분자량이 58.1인 사슬모양 탄화수소이다. 뷰테인의 but-는 그리스어로 버터를 뜻하는 어원으로 뷰티르산(butyric acid)에서 파생되었다. 화학자 프랭크랜드(Frankland)가 1849년 뷰테인을 처음으로 발견하였다.
뷰테인에는 노말뷰테인(n-butane)과 아이소뷰테인(iso-butane)의 두 가지 이성질체가 있다. 노말뷰테인(n-butane)은 곧은 사슬 구조를 갖는 CH₃CH₂CH₂CH₃를 말하며 n-뷰테인이라고도 한다. 뷰테인이라고 할 때는 일반적으로 n-뷰테인을 가리킨다. 천연가스나 석유분해가스에 함유되어 있고 상온과 상압하에서는 무색의 기체로 산업적으로 액화석유가스(LPG) 형태의 연료로 사용된다. 이성질체인 아이소뷰테인(iso-butane)은 1개의 탄소 원자에 다른 3개의 탄소 원자가 결합한 (CH₃)3CH 구조로서 iso-뷰테인 또는 i-뷰테인이라고 한다. n-뷰테인과 마찬가지로 천연가스 또는 석유분해가스에 함유되어 있고 무색의 기체로 인화성이 강하고, 쉽게 액화한다. 아이소뷰테인은 n-뷰테인에 비하여 반데르발스 힘이 작아서 끓는점이 ~10 °C 가량 낮으므로, 분별 증류하면 두 이성질체를 서로를 분리할 수 있다.
성질[편집]
무색무취이며 끓는점은 대기압 하에서 약 -0.5도로, 물의 어는점보다 아주 약간 낮다. 따라서 상온에서는 대기압 하에서 기체 상태로 존재하며, 쉽게 액화시킬 수 있으므로 보관이나 운송이 편리하다. 반대로 조금이라도 추운 날씨에서는 기화가 되지 않는 문제가 있다.
연소열은 2,877 kJ/mol, 49.50 MJ/kg로서 단위 무게당 연소열은 메테인보다 조금 낮고 프로페인(보통 '프로판 가스'로 유명한 그것)과 비슷하다. 강한 가연성 물질이라 조심해서 취급/관리해야 하며 게다가 메테인이나 프로페인과는 달리 자체에 독성이 있다. 흡입 시 심하면 심장세동이나 산소부족으로 인한 질식으로 인해 죽을 수 있다.
석유에 녹아 있기도 하고 천연가스에 섞여 있기도 한데 공통적으로 석유 정제 과정에서 프로페인과 같이 생산된다. 이는 천연가스로부터 뷰테인을 분리하는 절차에 석유가 사용되기 때문이다. 천연가스 속의 뷰테인을 메테인이나 에테인으로부터 분리할 때 석유에 녹인 후 분별증류하여 뷰테인을 얻는다. 이때 석유 속의 또 다른 가스인 프로페인도 같이 나오는데 이 둘이 섞인 상태로 액화해서 판매하는 것이 액화석유가스(LPG)다. 물론 분별증류를 통해 뷰테인과 프로페인을 분리하여 각각 판매하기도 한다. 산소가 풍부한 상태에서 연소되면 이산화 탄소와 수증기가 된다. 산소가 부족하면 불완전연소돼서 탄소, 일산화 탄소가 발생된다. 일산화 탄소만으로도 위험한데 독성이 있는 이산화질소도 부차적으로 생성되므로 휴대용 버너를 실내에서 쓸 때는 환기에 신경써야 한다.
구조 및 형태(conformation)[편집]
뷰테인(butane) 분자는 C-C 결합의 회전으로 인한 형태(conformation)가 많다. 이들의 구조와 상대적인 안정도를 그림에 나타내었는데 A 안티(anti), B 고쉬(gauche), C, D 가려진(eclipsed) 4종류로 구별할 수 있다. 안티 형태라고 불리는 가장 낮은 에너지 배열 A는 두 개의 메틸기가 가능한 한 멀리 떨어져 있는 배열이다. 이후 C2-C3 결합 주위의 회전으로 두 개의 CH3-H 상호 작용과 하나의 H-H 상호 작용이 있는 가려진 형태 C에 도달한다. 결합 회전이 계속되어 메틸기가 60° 떨어져 있는 엇갈린 형태 B에서 에너지 최소값에 도달한다. 형태 B를 고쉬(gauche)형태라고 하고 안티 형태 A보다 에너지가 3.8 kJ (0.9 kcal/ mol) 더 높은데 이는 두 개의 메틸기의 상호작용으로 기인한다. 이를 입체 무리(steric strain)라고 한다.
메틸기 사이의 평면각이 0°에 가까워짐에 따라 두 번째 가려진 형태 D에서 최대 에너지에 도달한다. 두 개의 메틸기는 고쉬 형태보다 더 가깝게 밀착되기 때문에 비틀림 변형과 입체무리가 모두 존재한다. 회전이 0°가 지나면 또 다른 고쉬 형태에 도달하고, 또 다른 가려진 형태에 도달하고, 마지막으로 안티 형태 A로 도달한다.
반응[편집]
충분한 산소가 공급되면 뷰테인은 연소되어 이산화 탄소와 수증기로 변화한다.
2 C₄H₁₀ + 13 O₂→ 8 CO₂ + 10 H₂O
산소가 충분하지 못하면 탄소나 일산화 탄소가 생성될 수 있다.
2C₄H₁₀ + 9O₂→ 8CO + 10H₂O
듀퐁 회사의 촉매 공정에 의해 n-뷰테인을 말레산 무수물(maleic anhydride)로 전환시킬 수 있다.
2 CH₃CH₂CH₂CH₃ + 7 O₂ → 2 C₂H₂(CO)₂O + 8 H₂O
용도[편집]
뷰테인의 가장 흔한 용도는 연료로서의 활용이다. 가솔린과 혼합하여 연료 가스로 사용된다. 순수한 뷰테인이 연료로 사용되기도 하지만 프로페인(propane)과 섞인 형태로 사용되기도 한다. 이를 액화석유가스(LPG)라 하며, 취사용이나 자동차 연료용으로 쓰인다. 시중에서 부탄가스통에 담겨서 휴대용 버너의 연료로 사용되거나, 일회용 라이터의 연료로 사용된다. 일회용 부탄가스통에도 사실 100% 뷰테인만 들어 있는게 아니라, 약 20%에서 25% 정도 프로페인이 들어있다. 비상시에 LPG 차량의 연료로 쓰이기도 한다.
뷰테인이 상대적으로 높은 온도에서 액화되기 때문에, 자동차 연료용 LPG는 조성이 계절별로 달라진다. 추운 날씨에서는 프로페인 비율을 높이고, 그렇지 않으면 뷰테인 비율을 상대적으로 높여서 판매한다.
노말뷰테인은 석유화학 원료로서 뷰텐이나 뷰타다이엔의 제조에도 사용된다.
고순도의 아이소뷰테인은 냉동기의 냉매로 사용된다. 오존층 파괴로 인해 할로젠화 메테인류 등의 전통적인 냉매가 규제되고 있어 아이소뷰테인이 이를 대체하고 있다.
인체에의 영향[편집]
메테인이나 프로페인과는 달리 자체에 독성이 있다. 뷰테인의 흡입은 졸림, 질식, 부정맥 또는 동상의 원인이 될 수 있으며 빠른 시간 이내에 사망으로 이어지기도 한다. 사람의 목에 뷰테인을 직접적으로 뿌릴 경우에는 뷰테인 액체의 부피가 증가하여 성문경련을 일으키기도 한다. 대기 중에서 뷰테인 가스를 연소시키면 불순물로부터 소량의 이산화 질소가 발생하게 되며 인체에 해를 끼치게 된다.
휴대용 연료제품[편집]
뷰테인 성분을 이용하여 만든 일상 생활에서 쉽게 볼 수 있는 깡통 모양의 가스 연료 제품 혹은 그 안의 내용물. 한국에서는 한국 기업에서 만드는 썬연료와 맥스가 유명하다. 조리기구에 따라 다르지만 통 하나당 대략 1시간 정도 사용할 수 있다.
대표적인 캠핑 용품이자 비상용품이기도 한데 대부분의 재난은 정전을 동반하여 수도/가스가 다 끊기기 때문이다. 대한민국 국가재난정보센터에서는 15개 이상 비축해 둘 것을 권장한다. LPG를 이용하는 차량은 연료가 다떨어지는 비상시에 대용으로 가정용 부탄가스를 사용할 수 있다. LPG의 주성분이 프로판과 부탄이기 때문이다. 다만 부탄가스로 LPG차량 충전을 하면 가성비가 매우 떨어진다. LPG 충전소에서 리터당 가격이 평균 700~800원대인데 부탄가스 캔은 리터당 2,500원이 넘어가서 부탄가스 한 캔에 1,000원 정도 하는 것을 고려하면 휘발유보다도 비싸진다. 정말 비상사태일 때만 유효한 수단이다. 참고로 부루스타용 부탄가스 한캔으로 약 3~6km 정도 주행이 가능하다고 한다. 차종 및 엔진마다 다르다.
전 세계에서 한국이 기술, 점유율 면에서 손꼽히는 몇 안 되는 시장이다. 일부러 불을 붙이는 미친짓을 하지 않는 한 폭발하지 않도록 가스가 배출되는 기술이 있어 굉장히 안전하다고 소문났기 때문이다. 이 기술이 적용된 후 3억 6천만개가 팔린 8년간 단 1건의 자연폭발 사고도 없었다는 점을 보면 매우 높은 안정성을 보장한다는 걸 알 수 있다. 태양산업과 대륙제관 등 한국의 주요 부탄가스 제조사들의 글로벌 점유율을 모두 합하면 약 90%라고 한다. 해외의 제조사는 이름조차 못 내는 수준이라고. 한국에서 생산되는 부탄가스캔의 부탄은 거의 사우디아라비아에서 수입되고 있다.
해외에서는 아직 보기 드문 제품이다. 외국에도 동글납작한 이소부탄 가스캔과 등산용 버너나 랜턴이 있기는 하지만 비싸고 버너가 작아서 냄비 등을 올리기 불편해서 등산 낚시 등 한정된 경우에만 쓰이고 있다. 대한민국의 살충제 캔 같은 형태의 가스캔과 소형 가스렌지형 버너는 외국에서도 일부 판매되기도 하지만 보편적으로 쓰이진 않는다. 그래서 한국에 온 외국인들이 이런 싸고 편리한 한국식 버너와 부탄 캔을 보고 감탄하기도 한다.
연탄과 같은 고형 연료나 기름과 같은 액상 연료에 비해 장점이 많다. 고형 연료는 불 붙이기가 어려우며 사용하는 버너의 크기가 고체연료를 담을 수 있을 정도는 되어야 해서 상대적으로 커야 한다. 숯을 제외하면 무겁기도 무겁고 잘 포장하지 않으면 탄가루가 날린다. 게다가 유독가스가 다른 유형의 연료보다 많이 나오기도 한다는 단점이 있다. 이런 여러 단점이 있음에도 불구하고 고형 연료가 살아남은 것은 압도적인 가성비와 타의 추종을 불허하는 안전성 덕분이다. 액상 연료는 기본적으로 액체이기 때문에 경우에 따라선 고형 연료보다 취급이 더 어렵다. 용기가 파손되었다고 가정할 경우 고체 연료는 그냥 파손되고 끝이지만 액상 연료는 바로 흘러나가 사고의 위험이 높다. 취급 과정에서도 이리 저리 잘 묻어서 장갑이 필수다.
반면 부탄 등의 기체 연료는 이런 단점이 거의 없다. 용기가 파손될 경우 주변에 화기만 없다면 그냥 가스가 새어나갈 뿐 주변을 연료로 오염시키지는 않으며 밀폐공간만 아니라면 환기만 잘 해 주면 금방 날아가 버린다.
가벼운 것도 장점. 버너에 바로 장착하여 쓰는 형태로 제품들이 가공되어 시중에 판매되기 때문에 취급이 용이하다는 장점이 있다. 휘발유, 등유 등의 액상 연료는 버너의 탱크에 부어넣어 써야 하는 경우가 대부분이고 고형 연료는 말할 것도 없다.
다만 아주 큰 단점이 있는데 혹한기에는 사용이 제일 불편한 연료라는 점이다. 부탄을 포함한 기체 연료는 용기에 높은 압력을 걸어 액상의 형태로 충전되고 사용자가 사용할 때는 압력이 풀려 기화된 가스를 쓰게 된다. 가스가 기화되는 과정에서 주변의 열을 약탈하게 되는데, 이때 필요한 열량을 기화열이라고 한다.[8] 하지만 혹한기에는 이 기화열을 가져올 곳이 없기 때문에 연료의 효율이 급감한다. 용기 안에 엄청난 양의 액화 가스가 들어있음에도 불구하고 버너에 꽂아 사용하면 불이 안 붙는다. LPG의 경우 부탄과 프로판을 적당히 혼합해 문제를 해결하지만[9] 순수 부탄이 들어간 부탄가스는 이 문제를 겪게 된다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
