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烷烴
開鏈的飽和鏈烴
有機化合物
烷烴（wán tīng），是開鏈的飽和鏈烴（saturated group)，分子中的碳原子都以單鍵相連，其余的價鍵都與氫結合而成的化合物。通式為CnH2n+2，是最簡單的一種有機化合物。烷烴的主要來源是石油和天然氣，是重要的化工原料和能源物資。
基本信息
| 中文名 | 烷烴 |
| 閃點 | 60 |
| 別名 | 飽和烴 |
| 密度 | 小于水，即<1kg/m^3 |
| 外觀 | 無色透明 |
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定義
物質結構
化學式
從甲烷開始，每增加一個碳原子就相應地增加兩個氫原子，因此烷烴的通式為CH，n表示碳原子的數目(n=1,2,3,···)，理論上n可以很大，但已知的烷烴n大約在100以內。擁有相同分子通式和結構特征的一系列化合物稱為同系列，烷烴同系差為CH，C原子個數不同的烷烴互為同系物。同系列中的同系物的結構相似，化學性質相近，物理性質隨著碳原子的增加而呈現規(guī)律性變化。
物理性質
氣味
低沸點(boiling point)的烷烴為無色液體，有特殊氣味；高沸點烷烴為黏稠油狀液體，無味。
物態(tài)
烷烴的物理性質隨分子中碳原子數的增加，呈現規(guī)律性的變化。
在室溫25°下，含有1～4個碳原子的烷烴為氣體。
含有5～17個碳原子的烷烴為液體。但實際上含有10～19個碳原子的烷烴正常溫度下可以為固體。
熔點
烷烴
通過X射線衍射方法分析，固體正烷烴晶體為鋸齒形，在奇數碳原子齒狀鏈中兩端甲基同處在一邊，如正戊烷。偶數碳鏈中兩端甲基不在同一邊，如正己烷，偶數碳鏈彼此更為靠近，相互作用力大，故熔點升高值較單數碳鏈升髙值較大一些。
密度
烷烴的密度(density)隨相對分子質量增大而增大，這也是分子間相互作用力的結果，分子間引力增大，分子間的距離相應減小，相對密度則增大，密度增加到一定數值后，相對分子質量增加而密度變化很小。最大接近于0.8 g·cm 左右，所以所有的烷烴都比水輕。
溶解度
與碳原子數相等的鏈烷烴相比，環(huán)烷烴的沸點、熔點和密度均要髙一些。這是因為鏈形化合物可以比較自由地搖動，分子間“拉”得不緊，容易揮發(fā)，所以沸點低一些。由于這種搖動，比較難以在晶格內做有次序的排列，所以熔點也低一些。由于沒有環(huán)的牽制，鏈形化合物的排列也較環(huán)形化合物松散些，所以密度也低一些。同分異構體和順反異構體也具有不同的物理性質。下表是若干烷烴和環(huán)烷烴的物理常數。
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化學性質
鹵化反應
烷烴中的氫原子被鹵原子取代的反應稱為鹵化反應(halogenation)。鹵化反應包括氟化(fluorinate)，氯化(chlorizate)，溴化(brominate)和碘化(iodizate)。但有實用意義的鹵化反應是氯化和溴化。
1.氯化
例如甲烷與氯發(fā)生氯代反應生成四種氯代產物的混合物。其中hv表示光照
如果控制氯的用量，用大量甲烷，主要得到氯甲烷；如用大量氯氣，主要得到四氯化碳。工業(yè)上通過精餾，使混合物一一分開。以上幾個氯化產物，均是重要的溶劑與試劑。
甲烷氯化反應的事實是：
①在室溫暗處不發(fā)生反應；
②髙于250℃發(fā)生反應；
③在室溫有光作用下能發(fā)生反應；
2.甲烷的鹵化
在同類型反應中，可以通過比較決定反應速率一步的活化能大小，了解反應進行的難易。
氟與甲烷反應是大量放熱的，但仍需+4.2 KJ/mol活化能，一旦發(fā)生反應，大量的熱難以移走，破壞生成的氟甲烷，而得到碳與氟化氫，因此直接氟化的反應難以實現。碘與甲烷反應，需要大于141 KJ/mol的活化能，反應難以進行。氯化只需活化能+16.7 KJ/mol，溴化只需活化能+75.3 KJ/mol，故鹵化反應主要是氯化、溴化。氯化反應比溴化易于進行。
由基鏈反應中加入碘，它可以使反應中止。
3.高級烷烴的鹵化
在紫外光或熱（250～400℃）作用下，氯、溴能與烷烴發(fā)生反應，氟可在惰性氣體稀釋下進行烷烴的氟化，而碘不能。
1.碳自由基的定義和結構
某一鍵均裂時會產生帶有孤電子的原子或基團，稱之為自由基。孤電子在氫原子上的自由基稱為氫自由基。孤電子在碳原子上的自由基稱為碳自由基。烷烴中的碳氫鍵均裂時會產生一個氫自由基和一個烷基自由基即碳自由基。自由基碳sp 雜化，三個sp 雜化軌道具有平面 三角形的結構，每個sp 雜化軌道與其它原子的軌道通過軸向重疊形成σ鍵，成鍵軌道上有一對自旋相反的電子。一個p軌道垂直于此平面，p軌道被一個孤電子占據。
(1)鍵解離能
分子中的原子總是圍繞著它們的平衡位置做微小的振動，分子振動類似于彈簧連接的小球的運動，室溫時，分子處于基態(tài)，這時振幅很小，分子吸收能量，振幅增大。如果吸收了足夠的能量，振幅增大到一定程度，鍵就斷了，這時吸收的熱量，是鍵解離反應的焓(ΔH)，是這個鍵的鍵 能，或稱鍵解離能(bond-dissociation energy)，用Ed表示。
(2)碳自由基的穩(wěn)定性
自由基的穩(wěn)定性，是指與它的母體化合物的穩(wěn)定性相比較，比母體化合物能量高得多的較不穩(wěn)定，高得少的較穩(wěn)定。從上面C一H鍵的解離能數據可以看出：CH中C—H鍵解離，其解離能最大，在同列系中第一個化合物往往是比較特殊的；CHCH與CHCHCH中斷裂一級碳上的氫，解離能較CH稍低，形成的均為一級自由基；CHCHCH中斷裂二級碳原子上的氫，其解離能又低一些，形成二級自由基；(CH)CH中三級碳原子上的氫斷裂，其解離能最低，形成三級自由基。這些鍵解離反應中，產物之一是，均是相同的，因此鍵解離能的不同，是反映了碳自由基的穩(wěn)定性不同。解離能越低的碳自由基越穩(wěn)定。因此碳自由基的穩(wěn)定性順序為
3°C·>2°C·>1°C·>H3C·
在烷烴分子中，C—C鍵也可解離。
3.自由基反應的共性
化學鍵均裂產生自由基。由自由基引發(fā)的反應稱為自由基反應，或稱自由基型的鏈反應(chain reaction)。自由基反應一般都經過鏈引發(fā)(initiation )、鏈轉移(propagation，或稱鏈生成）、鏈終止(termirrntimi)三個階段。鏈引發(fā)階段是產生自由基的階段。由于鍵的均裂需要能量，所以鏈引發(fā)階段需要加熱或光照。
熱裂反應
無氧存在時，烷烴在髙溫（800℃左右）發(fā)生碳碳鍵斷裂，大分子化合物變?yōu)樾》肿踊衔铮@ 個反應稱為熱裂(pyrolysis)。石油加工后除得汽油外，還有煤油、柴油等相對分子質量較大的烷烴；通過熱裂反應，可以變成汽油、甲烷、乙烷、乙烯及丙烯等小分子的化合物，其過程很復雜，產 物也復雜；碳碳鍵、碳氫鍵均可斷裂，斷裂可以在分子中間，也可以在分子一側發(fā)生；分子愈大，愈易斷裂，熱裂后的分子還可以再進行熱裂。熱裂反應的反應機制是熱作用下的自由基反應，所用的原料是混合物。
總的結果是大分子烷烴熱裂成分子更小的烷烴、烯烴。這個反應在實驗室內較難進行，在工業(yè)上 卻非常重要。工業(yè)上熱裂時用烷烴混以水蒸氣在管中通過800℃左右的加熱裝置，然后冷卻到 300～400°C，這些都是在不到一秒鐘時間內完成的，然后將熱裂產物用冷凍法加以一一分離。塑料、橡膠、纖維等的原料均可通過此反應得到。
乙烯的世界規(guī)模年產數千萬噸，而且還在不斷增長。各國所用烷烴原料 不同，產物也有差別，如用石腦油為原料熱裂后可得甲烷15%、乙烯31.3%、乙烷3.4%、丙烯13.1 %、丁二烯4.2%、丁烯和丁烷2.8%、汽油22%、燃料油6%，尚有一些少量其它產品。
一般在碳鏈中間較易斷裂，然后再產生一系列的β-斷裂。
芳香烴僅在側鏈上發(fā)生反應，因芳環(huán)穩(wěn)定，保持不變。因此，如生產乙烯最好是含直鏈烷烴最多的石油餾分。
氧化反應和燃燒
在生活中經常碰到這樣的現象，人老了皮膚有皺紋，橡膠制品用久了變硬變黏，塑料制品用 久了變硬易裂，食用油放久了變質，這些現象稱為老化。老化過程很慢，老化的原因首先是空氣 中的氧進入具有活潑氫的各種分子而發(fā)生自動氧化反應(autoxidaticm)，繼而再發(fā)生其它反應。
所有的烷烴都能燃燒，完全燃燒時，反應物全被破壞，生成二氧化碳和水，同時放出大量熱。
燃燒時火焰為淡藍色，不明亮。
制備
碳氫化合物的主要來源是天然氣(natural gas)和石油(petroleum)。盡管各地的天然氣組分不同，但幾乎都含有75%的甲烷、15%的乙烷及5%的丙烷，其余的為較高級的烷烴。而含烷烴種類最多的是石油，石油中含有1至50個碳原子的鏈形烷烴及一些環(huán)狀烷烴，而以環(huán)戊烷、環(huán)己烷及其衍生物為主，個別產地的石油中還含有芳香烴。我國各地產 的石油，成分也不相同，但可根據需要，把它們分餾成不同的餾分加以應用。烷烴不僅是燃料 的重要來源，而且也是現代化學工業(yè)的原料。另外，烷烴還可以作為某些細菌的食物，細菌食用烷烴后，分泌出許多很有用的化合物，也就是說烷烴經過細菌的“加工”后，可成為更有用的化合物。
上述情況表明，石油工業(yè)的發(fā)展對于國民經濟以及有機化學的發(fā)展都非常重要。
石油雖含有豐富的各種烷烴，但這是個復雜混合物，除了 C1～C6烷烴外，由于其中各組分的相對分子質量差別小，沸點相近，要完全分離成極純的烷烴，較為困難。采用氣相色譜法，雖可有效地予以分離，但這只適用于研究，而不能用于大量生產。因此在使用上，只把石油分離成幾種餾分來應用，石油分析中有時需要純的烷烴作基準物，可以通過合成的方法制備。
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汽油(petrol)在內燃機中燃燒而發(fā)生爆燃或爆震，這會降低發(fā)動機的功率并會損傷發(fā)動機。燃料引起爆震的傾向，用辛烷值(octane value)表示，在汽油燃燒范圍內，將2,2,4-三甲基戊烷的辛烷值定為100。辛烷值越高，防止發(fā)生爆震的能力越強。六個碳以上的直鏈烷烴辛烷值很低，帶支鏈的、不飽和的脂環(huán)、特別是芳環(huán)最為理想，有的超過100。大部分現代化的設備要求辛烷值在90～100之間。可將石腦油、常壓渣油，有時也用瓦斯油經過加工，將辛烷值提髙到95左右，再摻入汽油中使用。加工方法之一是催化重整(catalytic reforming)，主要將石腦油中C6以上成分芳構化(aromatization)，即成芳香烴。此法除使石腦油提高辛烷值外，在化工中主要用來生產芳香烴加工方法之二為催化裂化，此法除能提高辛烷值外，在化工中主要用于生產丙烯、丁烯。
命名規(guī)則
烷烴的命名法常用的有3種，現分述如下（僅限于我國）：
普通命名法
普通命名法亦稱習慣命名法，適用于比較簡單的烷烴。碳原子數在10以下的烷烴，分別用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸等天干名稱表示碳原子數目，例如：CH稱為甲烷，CH稱為乙烷，CH稱為丙烷，余此類推；碳原子數在10以上時用漢文數字表示，例如CH稱為十一烷，CH稱為十八烷。
為了區(qū)別異構體，可用“正”、“異”、“新”等作前綴來表示。“正”表示直鏈烷烴；“異”表示碳鏈一端具有（CH)CH—結構，此外再無其他側鏈者；“新”表示碳鏈一端有（CH)C—結構此外再無其他側鏈的含5、6個碳原子的烷烴，例如：
CH—CH—CH—CH—CH—CH正己烷
CH—CH—CH—CH—CH異己烷
∣
CH
CH
|
CH—C—CH—CH新己烷
|
CH
CH
∣
CH—CH—CH—CH2,2-二甲基丁烷
∣
CH
衍生物命名法
衍生物命名法是以甲烷為母體，把其他烷烴看作是甲烷的烷基衍生物來命名。在命名時選擇連有烷基最多的碳原子，烷基按大小順序排列，較小的排在前面。例如：
CH—CH—CH—CH
∣
CH
這種命名法雖然能反映出烷烴的分子構造，但仍不適用于構造更為復雜的烷烴。
系統命名法
這是采用國際上通用的IUPAC命名原則，并結合我國的文字特點而制定的系統命名法。直鏈烷烴的命名與普通命名法基本一致，只是把“正”字省略；而把帶有支鏈的烷烴看作是直鏈烷烴的烷基衍生物，并按下列規(guī)定命名：
（1）選擇分子中最長的碳鏈為主鏈，把支鏈烷基看做主鏈上的取代基，根據主鏈所含的碳原子數稱為某烷。
（2）由距離支鏈最近的一端開始，將主鏈的碳原子用阿拉伯數字編號，支鏈所在的位置以它所連接的碳原子的號數表示。
（3）把取代基的名稱寫在烷烴名稱的前面，如果主鏈上含有幾個不同的取代基時，按照由小到大的順序排列；如果含有幾個相同的取代基，可以在取代基名稱前面用二、三、四……來表示。
如果從碳鏈的任一端開始，第一個取代基的位置都相同時，則要求表示所有取代基位置的數字之和是最小的數。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
