任務一　甲烷及烷烴的識用

實例分析

沼氣的主要成分甲烷是一種理想的氣體燃料，它無色無味，與適量空氣混合后就能燃燒。每立方米沼氣完全燃燒后，能產生相當于0.7kg無煙煤提供的熱量。沼氣除直接燃燒用于炊事、烘干農副產品、供暖、照明和氣焊等外，還可作內燃機的燃料以及生產甲醇、福爾馬林、四氯化碳等化工原料。

一、有機化合物概念與分類

1.有機化合物及其特點

有機化合物是碳氫化合物及其衍生物的統稱。只含有碳和氫兩種元素的有機化合物叫碳氫化合物，簡稱烴。烴分子中的氫原子被其它原子或原子團取代后得到烴的衍生物。烴是有機化合物的母體。

與無機化合物相比較，有機化合物的數量龐大，有機化合物的特點見表4-1。

但也有例外，如四氯化碳不僅不燃燒，而且可用來滅火；乙酸不僅可溶于水，而且能電離；石油裂解反應不僅不慢，而且瞬時完成等。

2.分類

有機物的分類一般有兩種方法。

（1）按碳骨架分類

按碳骨架不同可以將有機物分成以下三類。

①脂肪族化合物（開鏈化合物）。分子中碳原子間相互連接成鏈狀，也稱鏈烴。碳原子間以C—C鍵相連者為烷烴，以C＝C鍵相連者為烯烴，以鍵相連者為炔烴。

②碳環化合物。分子中含有完全由碳原子組成的環。根據碳環結構和性質的不同又可分為脂環族化合物和芳香族化合物。脂肪族化合物在結構上也可看作是由開鏈化合物關環而成的，其性質與脂肪族化合物相似。例如：

芳香族化合物是含有苯環的碳環化合物，具有特殊的性質。例如：

由于這類有機物最初是從具有芳香味的香樹脂中發現的，所以叫做芳香烴。

③雜環化合物。在其分子的環中除碳原子外還含有被稱為雜原子的其它原子（如O、N、S）。例如：

按碳骨架不同進行的分類方法在一定程度上反映了各類有機物的結構特征，但還不能體現有機物的主要性質。

（2）按官能團分類

官能團是有機物分子中比較活潑而易發生反應的原子或原子團，常決定有機物的主要化學性質，因此含有相同官能團的有機物具有相似的化學性質。有機物中常見的官能團及其分類見表4-2。

3.分子構造式

分子構造指分子中原子間的連接方式和順序，表示分子構造的式子叫做構造式。構造式可用短線式、縮簡式（構造簡式）和鍵線式來表示，舉例說明如下：

二、甲烷

有機化合物的鏈烴分子中，只含有碳碳單鍵和碳氫鍵的化合物稱為烷烴。甲烷是最簡單的烷烴。

1.物理性質

甲烷是無色、無味、可燃和微毒的氣體。在標準狀況下密度為0.717g·L-1，大約是空氣的一半。甲烷極難溶于水，在20℃、0.1kPa時，100個體積的水只能溶解3個體積的甲烷。在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。

2.分子結構

實驗證明甲烷的分子不是平面構型，而是正四面體構型，即四個氫原子位于正四面體的四個頂點，碳原子位于正四面體的中心，四個C—H鍵長都為0.109nm，所有鍵角∠HCH都是109.5°，見圖4-1。

甲烷的正四面體構型可用雜化軌道理論加以解釋。碳原子的基態電子排布是（），碳原子在與其它四個氫原子結合時，一個s軌道與三個p軌道經過雜化后，形成四個等同的sp3雜化軌道，彼此間夾角為109.5°。當它們分別與四個氫原子的s軌道重疊時，就形成了四個完全等同的C—Hσ鍵。

3.化學性質和用途

甲烷的化學性質穩定，在一般條件下（常溫、常壓），與大多數試劑如強酸（濃H2SO4、濃HNO3等）、強堿（NaOH、KOH等）、強氧化劑（K2Cr2O7、KMnO4等）、強還原劑（Zn+HCl、Na+C2H5OH等）及活潑金屬鈉等都不起反應。但在高溫、光照或加催化劑的條件下，也能發生氧化反應、取代反應等。

（1）氧化反應

有機化學反應中，把分子中增加氧原子或減少氫原子的反應稱為氧化反應，把減少氧原子或增加氫原子的反應稱為還原反應。

甲烷雖不能被高錳酸鉀氧化，但可以燃燒。在氧氣充足的條件下，純凈的甲烷在空氣中可以安靜地燃燒，產生淡藍色的火焰，同時放出大量的熱。

利用這一反應可以測定烷烴的C、H含量。

如果甲烷在空氣不足時燃燒，會產生大量黑煙（C）。

烷烴的不完全燃燒會產生有毒的CO和黑煙C，是汽車尾氣所造成的空氣污染之一。

甲烷是一種很好的氣體燃料，燃燒值很高。但是必須注意，含甲烷5％～15％的甲烷-空氣混合物，遇到火花會立即發生爆炸（又稱瓦斯爆炸）。因此在使用甲烷時應注意安全。在點燃甲烷前必須檢查甲烷的純度。在煤礦井里，必須采取措施如通風、嚴禁煙火等，以防爆炸事故發生。

控制適當的反應條件，甲烷可發生部分氧化。工業上以天然氣中的甲烷為原料，在一氧化氮的催化作用下，用空氣控制氧化來生產甲醛。

甲醛是常用的消毒劑和防腐劑，也是重要的化工原料。

（2）加熱分解

在隔絕空氣的條件下，把甲烷加熱到1000～1200℃能分解成炭黑和氫氣。

這是工業上制備炭黑的方法之一。炭黑是橡膠工業中的重要填充劑，能增強橡膠的耐磨性。炭黑也是制造黑色顏料、油墨、涂料和墨汁的原材料。氫氣可以作為合成氨的原料。

如果在短時間內加熱到1500℃并迅速冷卻，甲烷就會分解成乙炔和氫氣。

（3）取代反應

有機物分子中的某些原子或原子團被其它原子或原子團代替的反應，稱為取代反應。被鹵素原子取代的反應稱為鹵代反應。

在室溫下，甲烷與氯氣的混合物在黑暗中可長期保存而不起任何作用。但在漫射光照射（以hν表示光照）或適當加熱時，甲烷分子中的氫原子能逐個被氯原子代替，得到多種氯代甲烷和氯化氫的混合物。

一般情況下，得到四種氯代產物的混合物，根據其沸點不同可以進行分離。如果控制反應條件，特別是調節甲烷與氯氣的配比，就可使某種氯代烷成為主要產物。

上述四種氯代產物都不溶于水，在常溫下一氯甲烷是氣體，其它三種都是油狀液體。它們都是重要的有機合成原料。氯仿和四氯化碳是常用的有機溶劑，四氯化碳還可作為滅火劑。

烷烴的鹵代反應一般指氯代反應和溴代反應，氟代反應在低溫、暗處也會發生猛烈的爆炸，碘代反應則難以進行。

三、烷烴

1.同系列

烷烴的通式為CnH2n+2。最簡單的烷烴是甲烷，依次為乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等。

從上述結構式可以看出，鏈烷烴的組成都是相差一個或幾個CH2（亞甲基）而連成碳鏈，碳鏈的兩端各連一個氫原子。具有同一通式，結構和化學性質相似，組成上相差一個或多個CH2的一系列化合物稱為同系列。CH2稱為烷烴的系差。

同系列中的化合物互稱為同系物。同系物具有相似的化學性質。

2.同分異構現象

分子式相同而構造式不同的化合物稱為同分異構體，這種現象稱為同分異構現象。烷烴的同分異構現象是由分子中碳原子的排列方式不同而引起的，這種同分異構又稱為構造異構。甲烷、乙烷、丙烷分子中的碳原子只有一種排列方式，所以無構造異構體。丁烷的分子中有4個碳原子，可以有兩種排列方式，所以有兩種異構體。

戊烷分子中有5個碳原子，可以有3種異構體。

烷烴分子中，隨碳原子數目的增加，構造異構體的數目迅速增加。例如，己烷（C6H14）有5種，庚烷（C7H16）有9種，辛烷（C8H18）有18種。

在有機化合物中，同分異構現象普遍存在，并隨著碳原子數目的增多，同分異構體的數目也增多。同分異構現象是造成有機物數量繁多的原因之一。

知識鏈接

同分異構體

同分異構體又稱同分異構物，簡稱異構體。在化學中，是指有著相同分子式的分子；各原子間的化學鍵也常常是相同的；但是原子的排列卻是不同的。也就是說，它們有著不同的“結構式”。許多同分異構體有著相同或相似的化學性質。同分異構現象是有機化合物種類繁多、數量巨大的原因之一。

同分異構體的組成和分子量完全相同而分子的結構不同、物理性質和化學性質也不相同，如乙醇和甲醚（C2H6O）。

有機物中的同分異構分為構造異構和立體異構兩大類。具有相同分子式，而分子中原子或基團連接的順序不同，稱為構造異構。在分子中原子的結合順序相同，而原子在空間的相對位置不同的，稱為立體異構。

構造異構又分為碳鏈異構、官能團異構、位置異構和互變異構。立體異構又分為構象異構和構型異構，而構型異構還分為順反異構和旋光異構（又稱對映異構）。構象異構是指具有一定構型的有機物分子由于碳碳單鍵的旋轉或扭曲（不是把鍵斷開）而導致原子或原子團的空間相對位置改變而產生的一種立體異構現象。構型異構是原子或原子團在大分子中不同空間排列所產生的異構現象，包括順反異構、對映異構（也成為旋光異構）等。也就是說構型異構是由于原子或原子團連接的位置不同而產生的異構現象，而不是由于碳碳單鍵旋轉造成的。

3.烷烴的命名

烷烴的命名法是有機化合物命名的基礎。烷烴常用的命名法有普通命名法和系統命名法。

（1）普通命名法

根據分子中所含碳原子數稱某烷。碳原子數在1～10時依次用天干（甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）表示；碳原子數在十以上的用十一、十二、十三等數字表示。對含有支鏈的烷烴，則必須在某烷前面加上一個漢字來區別，在鏈端第2個碳原子上連有1個甲基時，稱為異某烷；在鏈端第2個碳原子上連有2個甲基時，稱為新某烷；相對無支鏈的同分異構體稱為正某烷。例如：

普通命名法簡單方便，但只能適用于構造比較簡單的烷烴。對于比較復雜的烷烴必須使用系統命名法。

（2）系統命名法（IUPAC命名法）

系統命名法是中國化學學會根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）制定的有機化合物命名原則，再結合我國漢字的特點而制定的。

烷烴分之中去掉一個氫原子而剩余的原子團稱為烷基，其通式為CnH2n+1，常用R—表示。常見烷基如表4-3所示。

系統命名法中，對無支鏈的烷烴省去“正”字；對于結構復雜的烷烴，則按以下原則命名。

①選主鏈，定母體。選擇含碳原子數目最多的碳鏈作為主鏈，根據主鏈所含碳原子數目定名為“某烷”。若分子中有兩條以上等長碳鏈時，則選擇支鏈多的一條為主鏈。支鏈作為取代基。例如：

②編號，定位次。從最接近取代基的一端開始，將主鏈碳原子用阿拉伯數字編號。

若主鏈上有2個或者2個以上取代基時，則主鏈的編號順序應使支鏈位次盡可能小。例如：

若第一個支鏈的位置相同，則依次比較第二個、第三個支鏈的位置，以取代基的位次最小（最低系列原則）為原則。例如：

③寫出烷烴名稱。把取代基的名稱寫在烷烴名稱之前，在取代基名稱前面用阿拉伯數字標明它所在的位置，位次和取代基名稱之間要用半字線“-”連接起來。若主鏈上連有相同的取代基，相同取代基合并用中文數字二、三等表示相同取代基的數目。表示位次數字之間要用逗號隔開。若主鏈上連有不同幾個支鏈時，則按由小到大的順序將取代基的位次和名稱加在主鏈名稱之前。烷基的大小次序：甲基<乙基<丙基<丁基<戊基<己基<異戊基<異丁基<異丙基。例如：

可將烷烴的命名歸納為十六個字：最長碳鏈，最小定位，同基合并，由簡到繁。

相關鏈接

烷烴的分子中，與一個碳原子相連接的碳原子叫做伯碳原子或一級碳原子，用1°表示；與兩個碳原子相連接的碳原子叫做仲碳原子或二級碳原子，用2°表示；與三個碳原子相連接的碳原子，叫做叔碳原子或三級碳原子，用3°表示；與四個碳原子相連接的碳原子叫做季碳原子或四級碳原子，用4°表示。例如：

與伯、仲、叔碳原子直接相連的氫原子分別叫做伯（一級）、仲（二級）、叔（三級）氫原子，常用1°H、2°H、3°H表示。不同類型氫原子的反應性能有一定的差別，反應活性順序為3°H>2°H>1°H。

四、烷烴的性質

1.物理性質

（1）狀態

在常溫常壓下，C1～C4的直鏈烷烴為氣態，C5～C16的為液態，C17以上的為固態。

（2）沸點

直鏈烷烴的沸點隨相對分子質量的增加而有規律地升高。如圖4-2所示。

沸點的高低與分子間力有關。烴的碳原子數目越多，分子間的力就越大。支鏈增多時，使分子間的距離增大，分子間力減弱，沸點降低。在烷烴的同分異構體中，直鏈異構體的沸點最高，支鏈越多，沸點越低。

（3）熔點

烷烴熔點變化規律與沸點相似，C4以上烷烴隨碳原子數增加而增加（前幾個不規則），但含偶數碳烷烴的熔點比奇數碳烷烴的高，如圖4-3所示，隨相對分子質量的增加逐漸趨于一致；低級烷烴的熔點差高于高級烷烴的熔點差；分子對稱性越高熔點越高。

（4）相對密度

烷烴是所有有機物中密度最小的一類化合物，無論是液體還是固體其密度均小于1，并隨著分子量的增加而增加。

（5）溶解性

烷烴是非極性分子，又不具備形成氫鍵的條件，所以不溶于水，而易溶于非極性或弱極性有機溶劑如汽油中。

2.化學性質

烷烴的化學性質與甲烷相似，比較穩定，是各類有機物中最穩定的一個系列。但在一定條件下，烷烴也能發生氧化反應、取代反應和裂化反應。

（1）氧化反應

純凈的烷烴在空氣中完全燃燒都生成二氧化碳和水。烷烴的完全氧化可用下列通式表示：

烷烴的氧化反應是天然氣、汽油、柴油作為燃料的基本反應，也是產生溫室效應的基本反應之一。

烷烴不完全燃燒時，生成炭黑，在橡膠中廣泛應用。

如果控制氧化條件，使反應緩慢進行，則可使烷烴發生部分氧化，生成醇、醛、酮和羧酸等有機含氧混合物。例如：

石蠟是高級烷烴（C20～C40）的混合物，部分氧化生成的C12～C18的高級脂肪酸可代替天然油脂制造肥皂，從而可以節約大量食用油脂。

（2）取代反應

碳鏈較長的烷烴進行氯化時，可以取代不同的氫原子得到不同的氯代烴。

實驗證明，烷烴分子中不同類型的氫原子發生取代反應的活性順序為：叔氫>仲氫>伯氫。

高級的烷烴氯代時，比較容易控制，可以得到一氯代烷，這類產品一般不加分離而作溶劑用。

（3）裂化反應

烷烴在高溫和隔絕空氣的條件下，分子中的C—C鍵和C—H鍵發生斷裂，生成較小分子的反應，稱為裂化反應。例如：

裂化反應的產物一般都是復雜的混合物。烷烴的裂化反應是石油加工過程中的一個基本反應，具有非常重要的意義。根據所需產物的不同，反應條件也不相同。

①熱裂化。在較高溫度（500～700℃）和壓力（2～5MPa）下進行的裂化叫做熱裂化。

②催化裂化。在催化劑存在下的裂化叫做催化裂化。一般在常壓和450～500℃的條件下進行。應用最廣泛的催化劑是硅酸鋁。

一般由原油經分餾而得到的汽油只占原油的10％～20％，且質量不好。熱裂化可以大大增加汽油的產量，但汽油的質量并不理想。催化裂化產生較多帶有支鏈的烷烴、烯烴和芳烴等，所得的汽油質量較好，因而汽油大多由催化裂化得到。

③裂解。在高于700℃的溫度下，將石油深度裂化的過程叫做裂解。裂解的產物為低級烯烴，如乙烯、丙烯、丁烯等。低級烯烴是有機化學工業最重要的基本原料。國際上用乙烯的產量來衡量一個國家石油工業的發展水平。

（4）異構化反應

由一個化合物轉變為其異構體的反應叫做異構化反應。例如，正丁烷在酸性催化劑存在下，可轉變為異丁烷。

烷烴的異構化反應主要用于石油加工工業中，將直鏈烷烴轉變成支鏈烷烴，可以提高汽油以及潤滑油的質量。