烷烃

引入

为什么天然气和石蜡的主要成分都是烷烃?

为什么烷烃化学性质相对稳定,却能在光照下与卤素反应?

什么是同系列?烷烃的物理性质有什么递变规律?

烷烃是最简单的有机化合物,分子中碳原子之间全部以单键相连,碳的其余价键都被氢原子饱和。正因为结构简单、键能较高,烷烃在常温下化学性质比较稳定,是重要的燃料和化工原料。

理解烷烃,关键在于理解碳碳单键和碳氢键的稳定性,以及取代反应的机理。

正文

定义

烷烃是分子中碳原子之间全部以单键连接,碳的其余价键全部与氢原子结合的链烃,属于饱和烃。通式为 $\mathrm{C}{}_n\mathrm{H}{}_{2n+2}$（$n\ge 1$）。

结构特点

• 碳原子均为 $s{p}^3$ 杂化,键角约 $109.5^{\circ }$
• 碳碳单键和碳氢键均为 $\sigma$ 键,键能较高
• 碳链可以自由旋转,形成不同构象

同系列与物理性质递变

烷烃构成一个同系列,相邻成员之间相差一个 $\mathrm{CH}{}_2$ 基团（同系差）。

碳原子数	名称	分子式	常温状态	熔点 ${/}^{\circ }\mathrm{C}$	沸点 ${/}^{\circ }\mathrm{C}$
1	甲烷	$\mathrm{CH}{}_4$	气态	$-182$	$-162$
2	乙烷	$\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_6$	气态	$-183$	$-89$
3	丙烷	$\mathrm{C}{}_3\mathrm{H}{}_8$	气态	$-188$	$-42$
4	正丁烷	$\mathrm{C}{}_4\mathrm{H}{}_{10}$	气态	$-138$	$-0.5$
5	正戊烷	$\mathrm{C}{}_5\mathrm{H}{}_{12}$	液态	$-130$	$36$
10	正癸烷	$\mathrm{C}{}_{10}\mathrm{H}{}_{22}$	液态	$-30$	$174$
20	正二十烷	$\mathrm{C}{}_{20}\mathrm{H}{}_{42}$	固态	$37$	$343$

递变规律:

• 随碳原子数增加,分子间作用力增大,熔沸点逐渐升高
• $\mathrm{C}{}_1\sim \mathrm{C}{}_4$ 为气态,$\mathrm{C}{}_5\sim \mathrm{C}{}_{17}$ 为液态,$\mathrm{C}{}_{18}$ 以上为固态
• 同碳数时,支链越多,沸点越低（分子间接触面积减小）
• 均不溶于水,密度均小于水

化学性质

烷烃的化学性质比较稳定,但在一定条件下也能发生反应。

氧化反应

**燃烧:**烷烃是最常见的燃料。

$\mathrm{CH}{}_4+2\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }\mathrm{CO}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\Delta H=-890kJ/mol$

通式:

$\mathrm{C}{}_n\mathrm{H}{}_{2n+2}+\frac{3\mathrm{n}{}_1^{+}}{2}\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }n\mathrm{CO}{}_2+(\mathrm{n}{}_1^{+})\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

烷烃不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,也不能使溴水褪色（常温下）。

取代反应（卤代反应）

在光照或加热条件下,烷烃能与卤素单质发生取代反应。

$\mathrm{CH}{}_4+\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{光照}{\to }\mathrm{CH}{}_3\mathrm{Cl}+\mathrm{HCl}$

$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{Cl}+\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{光照}{\to }\mathrm{CH}{}_2\mathrm{Cl}{}_2+\mathrm{HCl}$

$\mathrm{CH}{}_2\mathrm{Cl}{}_2+\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{光照}{\to }\mathrm{CHCl}{}_3+\mathrm{HCl}$

$\mathrm{CHCl}{}_3+\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{光照}{\to }\mathrm{CCl}{}_4+\mathrm{HCl}$

反应产物是多种卤代烃的混合物,难以分离得到纯净物。这也是取代反应的特点之一——副产物多。

机理:卤代反应属于自由基取代反应。

1. 链引发:$\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{光照}{\to }2\mathrm{Cl}\cdot$
2. 链增长:$\mathrm{Cl}\cdot +\mathrm{CH}{}_4\to \mathrm{HCl}+\cdot \mathrm{CH}{}_3$;$\cdot \mathrm{CH}{}_3+\mathrm{Cl}{}_2\to \mathrm{CH}{}_3\mathrm{Cl}+\mathrm{Cl}\cdot$
3. 链终止:自由基之间结合

裂化与裂解

在高温下,长链烷烃可以断裂成短链分子。

$\mathrm{C}{}_{16}\mathrm{H}{}_{34}\stackrel{高温}{\to }\mathrm{C}{}_8\mathrm{H}{}_{18}+\mathrm{C}{}_8\mathrm{H}{}_{16}$

裂化是石油加工的重要方法,能提高汽油产量。

甲烷

甲烷是烷烃的代表,也是结构最简单的有机物。

**物理性质:**无色无味气体,密度比空气小,极难溶于水。

**存在:**天然气（体积分数约 $80\%\sim 97\%$）、沼气、坑气（瓦斯）。

实验室制法:

$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COONa}+\mathrm{NaOH}\underset{\mathrm{\Delta }}{\overset{\mathrm{CaO}}{\to }}\mathrm{Na}{}_2\mathrm{CO}{}_3+\mathrm{CH}{}_4\uparrow$

**用途:**燃料、制取氢气、制取炭黑和乙炔。

烷烃的命名

参见 有机化合物命名。简单规则:

1. 选最长碳链为主链
2. 从离取代基最近端编号
3. 取代基位置-取代基名称+主链名称

例:$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}(\mathrm{CH}{}_3)\mathrm{CH}{}_2\mathrm{CH}{}_3$ → 2-甲基丁烷

引出

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