Plyn ťažší ako vzduch

teória

Prečo je bután ťažší ako vzduch?

Plyn bután ( $\text{C}_4\text{H}_{10}$ ) má molárnu hmotnosť približne 58 g/mol. Vzduch je zmes plynov (hlavne dusíka a kyslíka) a jeho priemerná molárna hmotnosť je asi 29 g/mol. Bután je teda výrazne – asi dvakrát – ťažší ako vzduch.

Prečo na molárnej hmotnosti záleží? Podľa Avogadrovho zákona obsahujú rovnaké objemy plynov pri rovnakej teplote a tlaku rovnaký počet molekúl. Liter butánu má teda rovnako veľa molekúl ako liter vzduchu – molekuly butánu sú však ťažšie. Zo stavovej rovnice ideálneho plynu vyplýva, že hustota plynu je priamo úmerná jeho molárnej hmotnosti:

\rho = \frac{p \cdot M}{R \cdot T}

Pre porovnanie niekoľkých plynov:

Plyn	Vzorec	Molárna hmotnosť (g/mol)	V porovnaní so vzduchom
vodík	H₂	2	oveľa ľahší
metán	CH₄	16	ľahší
acetylén	C₂H₂	26	o niečo ľahší
vzduch	–	29	–
oxid uhličitý	CO₂	44	ťažší
propán	C₃H₈	44	ťažší
bután	C₄H₁₀	58	asi dvakrát ťažší

teória

Ako plyn „tečie“?

Keď bezfarebný bután nalejeme zo sklenenej kadičky do šikmého kovového žľabu, nerozptýli sa hneď vo vzduchu, ale vďaka svojej vyššej hustote klesá nadol a tečie žľabom, akoby išlo o kvapalinu. Vidieť ho nie je, no jeho cestu prezradí až plameň.

Na spodnom konci žľabu stojí malý plameň (napríklad čajová sviečka). Akonáhle neviditeľný prúd butánu dosiahne sviečku, zapáli sa. Plameň sa potom šíri naspäť po celom žľabe smerom nahor k zdroju plynu – horí všade tam, kde je bután zmiešaný so vzduchom. Bután horí podľa rovnice:

2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \rightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}

Opačne sa správajú plyny ľahšie ako vzduch – napríklad vodík stúpa nahor, čo vidno pri pokuse Zmes vodíka a kyslíka, a ľahší ako vzduch je aj metán, ktorý horí pri pokuse Spaľovanie metánu.

chémia v praxi

Ťažké plyny v živote

To, že niektoré plyny sú ťažšie ako vzduch, má dôležité bezpečnostné dôsledky:

Propán-bután (LPG) z plynových fliaš a áut na LPG sa pri úniku hromadí pri zemi, v pivniciach a jamách. Preto majú autá na LPG často zakázaný vjazd do podzemných garáží.
Oxid uhličitý sa hromadí v pivniciach pri kvasení vína alebo v jaskyniach a studniach. Človek ho necíti, a preto hrozí udusenie.
Plyn do domácností (zemný plyn, hlavne metán) je naopak ľahší ako vzduch a pri úniku stúpa nahor.

Aj medzi prvkami nájdeme plyny ľahšie aj ťažšie ako vzduch – napríklad hélium a argón zo skupiny vzácnych plynov.

čo budete potrebovať

Pomôcky

sklenená kadička
šikmý kovový žľab (upevnený pod uhlom, napr. v stojane)
malá čajová sviečka alebo kahan
zapaľovač alebo zápalky
plyn do zapaľovačov (bután alebo zmes butánu a propánu)

krok za krokom

Postup

Upevnite kovový žľab pod uhlom tak, aby tvoril naklonenú rovinu smerom nadol.
Na spodný koniec žľabu umiestnite zapálenú čajovú sviečku.
Sklenenú kadičku naplňte plynom zo zapaľovačovej náplne (butánom). Robte to ďalej od sviečky.
Opatrne a pomaly „vylievajte“ bezfarebný plyn z kadičky na vrchný koniec žľabu.
Čakajte, kým plyn vďaka svojej väčšej hustote potečie žľabom smerom k zapálenej sviečke.
Keď plyn dosiahne sviečku na spodnom konci, vznieti sa a plameň rýchlo vybehne po celom žľabe nahor.

pozor

Bezpečnosť

Riziko vzniku požiaru: Bután je extrémne horľavý plyn. Na pracovisku sa nesmú nachádzať žiadne ďalšie otvorené plamene a v okolí nesmú byť horľavé predmety.
Kontrola množstva: Nepoužívajte nadmerné množstvo plynu, aby nevznikol nekontrolovateľný plameň alebo výbuch plynu nahromadeného v miestnosti. Pamätajte, že bután sa drží pri zemi a pod stolom.
Ochranné pomôcky: Pri práci používajte ochranné okuliare, nehorľavé rukavice a laboratórny plášť.
Vetranie: Pokus robte v dobre vetraných priestoroch alebo v digestore, aby sa horľavý plyn nehromadil.
Kvapalný bután z náplne je veľmi studený – nestriekajte ho na pokožku, hrozí omrzlina.
Plameň nechajte dohorieť a majte poruke hasiacu prikrývku.

tipy a zaujímavosti

Doplňujúce info

Kadičku naplníte najjednoduchšie tak, že do nej pustíte plyn z náplne do zapaľovačov. Kvapalný bután sa pri izbovej teplote rýchlo odparí na plyn.
Namiesto žľabu môžete plyn „prelievať“ aj z jednej kadičky do druhej a potom do druhej kadičky vložiť horiacu špajľu.
Podobne sa dá „prelievať“ aj oxid uhličitý – ten však nehorí, ale naopak sviečku zhasne.