烷烃，即饱和烃（saturated group)，是只有碳碳单键和碳氢键的链烃，是最简单的一类有机化合物。烷烃分子里的碳原子之间以单键结合成链状（直链或含支链）外，其余化合价全部为氢原子所饱和。烷烃分子中，氢原子的数目达到最大值。烷烃的通式为CnH2n+2。分子中每个碳原子都是sp3杂化。烷烃的作用主要是做燃料。天然气和沼气（主要成分为甲烷）是近来广泛使用的清洁能源。石油分馏得到的各种馏分适用于各种发动机。

定义(一.通式和同系列 二.同分异构体 三.烷烃的结构 四.烷烃的命名)

物理性质

化学性质

定义

一.通式和同系列

定义:由碳和氢两种元素组成的饱和烃称为烷烃.

通式: CnH2n+2

同系列: 相邻的两种烷烃分子组成相差一个碳原子和两个氢原子,像这样结构相似,而在组成上相差一个或几个CH2的一系列化合物称为同系列.

二.同分异构体

甲烷,乙烷和丙烷没有同分异构体,从丁烷开始产生同分异构体.

碳链异构体:因为碳原子的连接顺序不同而产生的同分异构体.

随着分子中碳原子数目的增加,碳链异构体的数目迅速增多.

三.烷烃的结构

碳原子的最外层上有4个电子,电子排布为1S22S22P2,碳原子通过SP3杂化形成四个完全相同的SP3杂化轨道,所谓杂化就是由若干个不同类型的原子轨道混合起来,重新组合成数目相等的.能量相同的新轨道的过程.由1个S轨道与3个P轨道通过杂化后形成的4个能量相等的新轨道叫做SP3杂化轨道,这种杂化方式叫做SP3杂化.

在形成甲烷分子时,4个氢原子的S轨道分别沿着碳原子的SP3杂化轨道的对称轴靠近,当它们之间的吸引力与斥力达到平衡时,形成了4个等同的碳氢 σ键.

实验证明甲烷分子是正四面体型的.4个氢原子占据正四面体的四个顶点,碳原子核处在正四面体的中心,四个碳氢键的键长完全相等,所有键角均为109.5.

σ 键的特点:(1)重叠程度大,不容易断裂,性质不活泼.

(2)能围绕其对称轴进行自由旋转.

四.烷烃的命名

碳原子的类型:

伯碳原子:(一级)跟另外一个碳原子相连接的碳原子.

仲碳原子:(二级)跟另外二个碳原子相连接的碳原子.

叔碳原子:(三级)跟另外三个碳原子相连接的碳原子.

季碳原子:(四级)跟另外四个碳原子相连接的碳原子.

普通命名法

其基本原则是:

(1)含有10个或10个以下碳原子的直链烷烃,用天干顺序甲,乙,丙,丁,戊,已,庚,辛,壬,癸10个字分别表示碳原子的数目,后面加烷字.

例如: CH3CH2CH2CH3 命名为正丁烷.

(2)含有10个以上碳原子的直链烷烃,用小写中文数字表示碳原子的数目.

如CH3(CH2)10CH3命名为正十二烷.(3)对于含有支链的烷烃,则必须在某烷前面加上一个汉字来区别.在链端第2位碳原子上连有1个甲基时,称为异某烷,在链端第二位碳原子上连有2个甲基时,称为新某烷.

如: 正戊烷

异戊烷

新戊烷

系统命名法

系统命名法是我国根据1892年曰内瓦国际化学会议首次拟定的系统命名原则.国际纯粹与应用化学联合会(简称IUPAC法)几次修改补充后的命名原则,结合我国文字特点而制定的命名方法,又称曰内瓦命名法或国际命名法.

烷基:烷烃分子去掉一个氢原子后余下的部分.其通式为CnH2n+1-,常用R-表示.

常见的烷基有:

甲基 CH3— (Me)

乙基 CH3CH2— (Et)

正丙基 CH3CH2CH2— (n-Pr)

异丙基 (CH3)2CH— (iso-Pr)

正丁基 CH3CH2CH2CH2— (n-Bu)

异丁基 (CH3)2CHCH2— (iso-Bu)

仲丁基 (sec-Bu)

叔丁基 (CH3)3C— (ter-Bu)

在系统命名法中,对于无支链的烷烃,省去正字.对于结构复杂的烷烃,则按以下步骤命名:

选择分子中最长的碳链作为主链,若有几条等长碳链时,选择支链较多的一条为主链.根据主链所含碳原子的数目定为某烷,再将支链作为取代基.此处的取代基都是烷基.

从距支链较近的一端开始,给主链上的碳原子编号.若主链上有2个或者个以上的取代基时,则主链的编号顺序应使支链位次尽可能低.

将支链的位次及名称加在主链名称之前.若主链上连有多个相同的支链时,用小写中文数字表示支链的个数,再在前面用阿拉伯数字表示各个支链的位次,每个位次之间用逗号隔开,最后一个阿拉伯数字与汉字之间用半字线隔开.若主链上连有不同的几个支链时,则按由小到大的顺序将每个支链的位次和名称加在主链名称之前.

如果支链上还有取代基时,则必须从与主链相连接的碳原子开始 ,给支链上的碳原子编号.然后补充支链上烷基的位次.名称及数目.

物理性质

1.状态:在常温常压下,1至4个碳原子的直链烷烃是气体,5至16个碳原子的是液体,17个以上的是固体.

2.沸点:直链烷烃的沸点随分子量的增加而有规律地升高.而低级烷烃的沸点相差较大,随着碳原子的增加,沸点升高的幅度逐渐变小.沸点的高低取决于分子间作用力的大小.烷烃是非极性分子,分子间的作用力(即范德华力)主要是色散力,这种力是很微弱的.色散力与分子中原子数目及分子的大小成正比,这是由于分子量大的分子运动需要的能量也大.多一个亚甲基时,原子数目和分子体积都增大了,色散力也增大,沸点即随之升高.色散力是一种近程力,它只有在近距离内才能有效地发挥作用,随着分子间距离的增大而迅速减弱.带着支链的烷烃分子,由于支链的阻碍,分子间不能像直链烷烃那样紧密地靠在一起,分子间距离增大了,分子间的色散力减弱,所以支链烷烃的沸点比直链烷烃要低.支链越多,沸点越低.3.熔点:直链烷烃的熔点,其本上也是随分子量的增加而逐渐升高.但偶数碳原子的烷烃熔点增高的幅度比奇数碳原子的要大一些.形成一条锯齿形的曲线.烷烃的熔点也主要是由分子间的色散力所决定的.固体分子的排列很有秩序,分子排列紧密,色散力强.固体分子间的色散力,不仅取决于分子中原子的数目和大小,而且也取决于它们在晶体中的排列状况.X-光结构分析证明:固体直链烷烃的晶体中,碳链为锯齿形的,由奇数碳原子组成的锯齿状链中,两端的甲基处在一边,由偶数碳原子组成的锯齿状链中,两端的甲基处在相反的位置.即偶数碳原子的烷烃有较大的对称性,因而使偶数碳原子链比奇数碳原子更为紧密,链间的作用力增大,所以偶数碳原子的直链烷烃的熔点要高一些.

4.溶解度:烷烃是非极性分子,又不具备形成氢键的结构条件,所以不溶于水,而易溶于非极性的或弱极性的有机溶剂中.

5.密度:烷烃是在所有有机化合物中密度最小的一类化合物.无论是液体还是固体,烷烃的密度均比水小.随着分子量的增大,烷烃的密度也逐渐增大.

化学性质

烷烃是非极性分子,分子中的碳碳键或碳氢键是非极性或弱极性的σ键,因此在常温下烷烃是不活泼的,它们与强酸.强碱.强氧化剂.强还原剂及活泼金属都不发生反应.

氧化反应:烷烃很容易燃烧,燃烧时发出光并放出大量的热,生成CO2和 H2O.

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + 热量

在控制条件时,烷烃可以部分氧化,生成烃的含氧衍生物.例如石蜡(含20—40个碳原子的高级烷烃的混合物)在特定条件下氧化得到高级脂肪酸.

RCH2CH2R + O2 RCOOH + RCOOH

2,裂化:烷烃在隔绝空气的条件下加强热,分子中的碳碳键或碳氢键发生断裂,生成较小的分子,这种反应叫做热裂化.如:

CH3CH2CH2CH3 CH4 + CH2=CHCH3

CH3CH3 + CH2=CH2

CH2=CHCH2CH3 + H2

取代反应:卤代反应是烷烃分子中的氢原子被卤素原子取代.

将甲烷与氯气混合,在漫射光或适当加热的条件下,甲烷分子中的氢原子能逐个被氯原子取代,得到多种氯代甲烷和氯化氢的混合物.CH4 +Cl2 CH3Cl + HCl

CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl

CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl

CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl

卤素反应的活性次序为:F2 >Cl2 > Br2 > I2

对于同一烷烃,不同级别的氢原子被取代的难易程度也不是相同的.大量的实 验证明叔氢原子最容易被取代,伯氢原子最难被取代.

卤代反应机理:实验证明,甲烷的卤代反应机理为游离基链反应,这种反应的特点是反应过程中形成一个活泼的原子或游离基.其反应过程如下:

(1)链引发: 在光照或加热至250—400度时,氯分子吸收光能而发生共价键的均裂,产生两个氯原子游离基,使反应引发.

Cl2 2Cl

(2)链增长: 氯原子游离基能量高,反应性能活泼.当它与体系中浓度很高的甲烷分子碰撞时,从甲烷分子中夺取一个氢原子,结果生成了氯化氢分子和一个新的游离基——甲基游离基.

Cl + CH4 HCl + CH3

甲基游离基与体系中的氯分子碰撞,生成一氯甲烷和氯原子游离基.

CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl

反应一步又一步地传递下去,所以称为链反应.

CH3Cl + Cl CH2Cl + HCl3

CH2Cl + Cl2 CH2Cl2 + Cl (3)链终止: 随着反应的进行,甲烷迅速消耗,游离基的浓度不断增加,游离基与游离基之间发生碰撞结合生成分子的机会就会增加.

Cl + Cl Cl2

CH3 + CH3 CH3CH3

CH3 + Cl CH3Cl