Comúnmente utilizamos metano y propano para cocinar (y calentar el hogar), pero no etano. Me esperaría que el etano sea adecuado para esto, estando entre los dos, pero nunca he escuchado de alguien que lo utilice para este propósito. ¿Por qué será eso?
En relación a esto, ¿por qué se utiliza el butano para encendedores de cigarrillos y básicamente nada más (en la vida cotidiana, me refiero)?
Probablemente uno de los principales motivos para usar metano como combustible es que es abundante en el gas natural y es (actualmente) en su mayoría inútil como materia prima química. El etano representa algunos porcentajes del gas natural y también puede obtenerse como subproducto de la refinación del petróleo, pero la gran diferencia con el metano es que el etano es extremadamente útil en la síntesis química (principalmente para producir polietileno). De hecho, el gas natural doméstico a menudo contiene un poco de etano, lo cual puede variar dependiendo de la demanda actual del etano como materia prima. En resumen: arde igual de bien, pero el etano tiene otros usos importantes.
El propano tiene cierto uso como materia prima, pero es un combustible atractivo porque se puede almacenar fácilmente como líquido sin necesidad de enormes presiones.
La razón por la cual se utiliza más metano que etano como combustible es simplemente su mayor abundancia en el gas natural. La mayoría del polietileno no se produce a partir de etano. El polietileno se produce a partir de etileno, el cual se obtiene principalmente mediante la ruptura de hidrocarburos más largos. Este es un proceso bastante impreciso, por lo que los productos se separan y se utilizan de la siguiente manera: Hidrógeno y metano: son quemados en el horno de craqueo; etileno -> polietileno; propileno -> dimerización a un componente de gasolina de alto octanaje C6 ramificada y / o polimerización a polipropileno; C4+ -> reciclado. es.wikipedia.org/wiki/Etileno es un buen punto de partida.
El etano es uno de los materiales de alimentación comúnmente utilizados, junto con el GLP, propano, butano, etc., para la craqueo de vapor cuando se desean productos más ligeros como el etileno, mientras que el craqueo de vapor de materiales de alimentación más pesados como la nafta tienden a producir productos más grandes como alquenos más largos y compuestos aromáticos. El etileno se produce a partir de muchos materiales de alimentación, y no sé cuánto etileno se produce a partir de etano, pero la producción de etileno parece ser el uso principal del etano.
Dado que el proceso de producción de C2H4 básicamente consiste en romper hidrocarburos con altas temperaturas, luego enfriar y separar los resultados, no importa mucho cuál sea la materia prima. El C2H6 no se separa a menudo deliberadamente del CH4, debido al costo de la destilación a baja temperatura. Está volviéndose más disponible, ya que donde se produce gas natural licuado, es deseable tener CH4 puro para un solo punto de ebullición. Pero el C2H6 no es "extremadamente útil" en la síntesis de C2H4, simplemente no es muy útil para cualquier otra cosa. Gran parte del C2H6 utilizado en la síntesis de C2H4 proviene del flujo de reciclaje.
En ambos casos, parece haber una confusión de terminología entre el uso común y técnico.
Comúnmente usamos metano y propano para cocinar (y calefacción en el hogar), pero no etano. Esperaría que el etano sea adecuado para esto, estando entre los dos, pero nunca he escuchado de alguien que lo use para este propósito. ¿Por qué es eso?
En realidad, cualquiera que use gas natural como combustible para cocinar probablemente esté cocinando tanto con $\ce{CH4}$ como con $\ce{C2H6}$. Según la página de Wikipedia enlazada arriba (énfasis añadido):
El gas natural es una mezcla de gases de hidrocarburos natural que consiste principalmente en metano, pero comúnmente incluye cantidades variables de otros alcanos superiores, y a veces un pequeño porcentaje de dióxido de carbono, nitrógeno, sulfuro de hidrógeno o helio.
EngineeringToolbox.com reporta los siguientes rangos de composición representativos (probablemente en porcentaje por volumen) del gas natural:
$$ \text{Composición (%)} \\ \begin{array}{cccccccccc} \hline & \ce{CO2} & \ce{CO} & \ce{CH4} & \ce{C2H6} & \ce{H2} & \ce{H2S} & \ce{O2} & \ce{N2} \\ \hline \text{Mín} & 0 & 0 & 82 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0.5 \\ \text{Máx} & 0.8 & 0.45 & 93 & 15.8 & 1.8 & 0.18 & 0.35 & 8.4\\ \hline \end{array} $$
Dado que $\ce{CH4}$ es de lejos el principal constituyente del gas natural, tiene sentido que comúnmente se le llame por el término metano, incluso si en realidad a menudo es una mezcla de metano, etano y trazas de hidrocarburos superiores.
En relación a esto, ¿por qué se utiliza el butano para los encendedores de cigarrillos y básicamente para nada más (en la vida cotidiana, me refiero)?
Según la página de Wikipedia para el gas licuado del petróleo, enlazada en el comentario de Mithoron, la mayoría de lo que comúnmente se conoce como propano o butano es en realidad una mezcla de $\ce{C3H8}$ y $\ce{C4H10}$ en proporciones variables (énfasis añadido):
Gas licuado del petróleo o gas licuado de petróleo (GLP o gas LP), también conocido simplemente como propano o butano, son mezclas inflamables de gases hidrocarburos utilizados como combustible en aparatos de calefacción, equipos de cocina y vehículos. ... Las variedades de GLP compradas y vendidas incluyen mezclas que son principalmente propano ($\ce{C3H8}$), principalmente butano ($\ce{C4H10}$) y, más comúnmente, mezclas que incluyen tanto propano como butano. En el hemisferio norte en invierno, las mezclas contienen más propano, mientras que en verano, contienen más butano.
Entonces, Mithoron tiene razón: $\ce{C4H10}$ se utiliza en mucho más que solo encendedores de cigarrillos, simplemente que el uso común aplica el término butano para este contexto.
Como nota adicional, supongo que la razón principal para utilizar mezclas diferentes de $\ce{C3H8}$/$\ce{C4H10}$ tiene que ver con las presiones de vapor de los dos gases. Las densidades energéticas $\eta$ de los gases licuados, aproximadas como $-\Delta H_c^\circ\rho \over \mathrm{MW}$, son casi iguales:
$$ \begin{array}{ccccc} \hline \text{Cantidad} & \text{Unidades} & \ce{C3H8} & n\text{-}\ce{C4H10} & iso\text{-}\ce{C4H10} \\ \hline \Delta H_c^\circ & \mathrm{kJ\over mol} & -2202^1 & -2878^2 & -2869^3\\ \mathrm{MW} & \mathrm{g\over mol} & 44 & 58 & 58 \\ \rho & \mathrm{g\over mL} & 0.58^4 & 0.604^5 & 0.56^6 \\ \hline \eta & \mathrm{MJ\over L} & 29.0 & 30.0 & 27.7 \\ \hline \end{array} $$
Por lo tanto, se obtiene un valor energético aproximadamente comparable por volumen de cada uno, y no hay mucha razón para favorecer uno u otro en base a esto.
Prácticamente, el límite inferior de presión de vapor aceptable es el que proporciona suficiente flujo de hidrocarburo gaseoso al punto de combustión. El límite superior está más o menos definido por la resistencia del contenedor y la tubería. Considera los siguientes datos de presión de vapor, calculados a partir de ecuaciones ajustadas (fuentes: propano | n-butano | iso-butano):
$$ \text{Presión de Vapor (atm)} \\ \begin{array}{ccc} \hline & 0~^\circ\mathrm C& 25~^\circ\mathrm C & 38~^\circ\mathrm C \\ \hline \ce{C3H8} & 4.7 & 9.3 & 12.8 \\ n\text{-}\ce{C4H10} & 1.0 & 2.4 & 3.5 \\ iso\text{-}\ce{C4H10} & 1.5 & 3.4 & 4.9 \\ \hline \end{array} $$
Los encendedores de cigarrillos (especialmente los desechables de plástico) presumiblemente utilizan mezclas ricas en butano, para no acercarse o exceder los límites mecánicos de los contenedores transportables y ligeros. Además, la temperatura en el punto de uso está un poco mejor controlada, ya que incluso en días fríos, el calor de la mano del usuario es probable que mantenga la presión de vapor del butano lo suficientemente alta para proporcionar suficiente flujo de gas. Finalmente, como se menciona en un comentario de A.K., los encendedores generalmente están cargados con iso-butano, lo cual tiene sentido ya que es el isómero que exhibe moderadamente presiones de vapor más altas.
Para aplicaciones donde los contenedores de paredes metálicas son factibles (asados, combustible automotriz, etc.), sin embargo, las consideraciones estructurales son menos importantes y la presión más alta que se puede entregar del propano se vuelve ventajosa. En los meses calurosos de verano, sin embargo, asumiría que se usa una mayor proporción de butano para mitigar el aumento bastante dramático en la presión de vapor del propano puro con el aumento de la temperatura.
<span class="math-container">$^1$</span> <a href="https://es.wikipedia.org/wiki/Propano_(p%C3%A1gina_de_datos)#Propiedades_termodin%C3%A1micas" rel="nofollow noreferrer">Wikipedia, "Página de Datos del Propano"</a><br><span class="math-container">$^2$</span> <a href="https://es.wikipedia.org/wiki/10262694" rel="nofollow noreferrer">Wikipedia, "Página de Datos del Butano"</a><br><span class="math-container">$^3$</span> <a href="https://es.wikipedia.org/wiki/Isobutano_(p%C3%A1gina_de_datos)#Propiedades_termodin%C3%A1micas" rel="nofollow noreferrer">Wikipedia, "Página de Datos del Isobutano"</a><br><span class="math-container">$^4$</span> <a href="http://www.engineeringtoolbox.com/propane-d_1423.html" rel="nofollow noreferrer">Engineering Toolbox, "Propiedades Químicas, Físicas y Térmicas del Gas Propano - <span class="math-container">$\ce{C3H8}$</span></a><br><span class="math-container">$^5$</span> <a href="http://www.engineeringtoolbox.com/butane-d_1415.html" rel="nofollow noreferrer">Engineering Toolbox, "Propiedades Químicas, Físicas y Térmicas del n-Butano"</a><br><span class="math-container">$^6$</span> AeroPres, Hoja de Datos "Propiedades Físicas" (<a href="http://www.aeropres.com/files/physical%20properties.pdf" rel="nofollow noreferrer">enlace PDF</a>)
Metano y etano son muy difíciles de licuar en comparación con el propano y butano. Para hacer líquido el metano se requieren presiones más altas y esto significa más costo y peligro.
Pero especialmente, el n-butano puede ser fácilmente licuado y su fase líquida ocupa menos volumen. Esto lo hace más adecuado para encendedores.
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es.wikipedia.org/wiki/Gas_licuado_de_petroleo - El GLP es generalmente una mezcla de isómeros de propano y butano, por lo que tu segunda pregunta puede ser injustificada.