任務(wù)一　甲烷及烷烴的識(shí)用

實(shí)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(chǎn)生相當(dāng)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(nóng)副產(chǎn)品、供暖、照明和氣焊等外，還可作內(nèi)燃機(jī)的燃料以及生產(chǎn)甲醇、福爾馬林、四氯化碳等化工原料。

一、有機(jī)化合物概念與分類

1.有機(jī)化合物及其特點(diǎn)

有機(jī)化合物是碳?xì)浠衔锛捌溲苌锏慕y(tǒng)稱。只含有碳和氫兩種元素的有機(jī)化合物叫碳?xì)浠衔铮喎Q烴。烴分子中的氫原子被其它原子或原子團(tuán)取代后得到烴的衍生物。烴是有機(jī)化合物的母體。

與無機(jī)化合物相比較，有機(jī)化合物的數(shù)量龐大，有機(jī)化合物的特點(diǎn)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(yīng)不僅不慢，而且瞬時(shí)完成等。

2.分類

有機(jī)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(jī)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(huán)化合物。分子中含有完全由碳原子組成的環(huán)。根據(jù)碳環(huán)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的不同又可分為脂環(huán)族化合物和芳香族化合物。脂肪族化合物在結(jié)構(gòu)上也可看作是由開鏈化合物關(guān)環(huán)而成的，其性質(zhì)與脂肪族化合物相似。例如：

芳香族化合物是含有苯環(huán)的碳環(huán)化合物，具有特殊的性質(zhì)。例如：

由于這類有機(jī)物最初是從具有芳香味的香樹脂中發(fā)現(xiàn)的，所以叫做芳香烴。

③雜環(huán)化合物。在其分子的環(huán)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(jìn)行的分類方法在一定程度上反映了各類有機(jī)物的結(jié)構(gòu)特征，但還不能體現(xiàn)有機(jī)物的主要性質(zhì)。

（2）按官能團(tuán)分類

官能團(tuán)是有機(jī)物分子中比較活潑而易發(fā)生反應(yīng)的原子或原子團(tuán)，常決定有機(jī)物的主要化學(xué)性質(zhì)，因此含有相同官能團(tuán)的有機(jī)物具有相似的化學(xué)性質(zhì)。有機(jī)物中常見的官能團(tuán)及其分類見表4-2。

3.分子構(gòu)造式

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

二、甲烷

有機(jī)化合物的鏈烴分子中，只含有碳碳單鍵和碳?xì)滏I的化合物稱為烷烴。甲烷是最簡單的烷烴。

1.物理性質(zhì)

甲烷是無色、無味、可燃和微毒的氣體。在標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，100個(gè)體積的水只能溶解3個(gè)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(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)證明甲烷的分子不是平面構(gòu)型，而是正四面體構(gòu)型，即四個(gè)氫原子位于正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，碳原子位于正四面體的中心，四個(gè)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(gòu)型可用雜化軌道理論加以解釋。碳原子的基態(tài)電子排布是（），碳原子在與其它四個(gè)氫原子結(jié)合時(shí)，一個(gè)s軌道與三個(gè)p軌道經(jīng)過雜化后，形成四個(gè)等同的sp3雜化軌道，彼此間夾角為109.5°。當(dāng)它們分別與四個(gè)氫原子的s軌道重疊時(shí)，就形成了四個(gè)完全等同的C—Hσ鍵。

3.化學(xué)性質(zhì)和用途

甲烷的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在一般條件下（常溫、常壓），與大多數(shù)試劑如強(qiáng)酸（濃H2SO4、濃HNO3等）、強(qiáng)堿（NaOH、KOH等）、強(qiáng)氧化劑（K2Cr2O7、KMnO4等）、強(qiáng)還原劑（Zn+HCl、Na+C2H5OH等）及活潑金屬鈉等都不起反應(yīng)。但在高溫、光照或加催化劑的條件下，也能發(fā)生氧化反應(yīng)、取代反應(yīng)等。

（1）氧化反應(yīng)

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，把分子中增加氧原子或減少氫原子的反應(yīng)稱為氧化反應(yīng)，把減少氧原子或增加氫原子的反應(yīng)稱為還原反應(yīng)。

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(chǎn)生淡藍(lán)色的火焰，同時(shí)放出大量的熱。

利用這一反應(yīng)可以測定烷烴的C、H含量。

如果甲烷在空氣不足時(shí)燃燒，會(huì)產(chǎn)生大量黑煙（C）。

烷烴的不完全燃燒會(huì)產(chǎn)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(huì)立即發(fā)生爆炸（又稱瓦斯爆炸）。因此在使用甲烷時(shí)應(yīng)注意安全。在點(diǎn)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(fēng)、嚴(yán)禁煙火等，以防爆炸事故發(fā)生。

控制適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件，甲烷可發(fā)生部分氧化。工業(yè)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(chǎn)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(yè)上制備炭黑的方法之一。炭黑是橡膠工業(yè)中的重要填充劑，能增強(qiáng)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(shí)間內(nèi)加熱到1500℃并迅速冷卻，甲烷就會(huì)分解成乙炔和氫氣。

（3）取代反應(yīng)

有機(jī)物分子中的某些原子或原子團(tuán)被其它原子或原子團(tuán)代替的反應(yīng)，稱為取代反應(yīng)。被鹵素原子取代的反應(yīng)稱為鹵代反應(yīng)。

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(dāng)加熱時(shí)，甲烷分子中的氫原子能逐個(gè)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(chǎn)物的混合物，根據(jù)其沸點(diǎn)不同可以進(jìn)行分離。如果控制反應(yīng)條件，特別是調(diào)節(jié)甲烷與氯氣的配比，就可使某種氯代烷成為主要產(chǎn)物。

上述四種氯代產(chǎn)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(jī)合成原料。氯仿和四氯化碳是常用的有機(jī)溶劑，四氯化碳還可作為滅火劑。

烷烴的鹵代反應(yīng)一般指氯代反應(yīng)和溴代反應(yīng)，氟代反應(yīng)在低溫、暗處也會(huì)發(fā)生猛烈的爆炸，碘代反應(yīng)則難以進(jìn)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(jié)構(gòu)式可以看出，鏈烷烴的組成都是相差一個(gè)或幾個(gè)CH2（亞甲基）而連成碳鏈，碳鏈的兩端各連一個(gè)氫原子。具有同一通式，結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相似，組成上相差一個(gè)或多個(gè)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(xué)性質(zhì)。

2.同分異構(gòu)現(xiàn)象

分子式相同而構(gòu)造式不同的化合物稱為同分異構(gòu)體，這種現(xiàn)象稱為同分異構(gòu)現(xiàn)象。烷烴的同分異構(gòu)現(xiàn)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(gòu)又稱為構(gòu)造異構(gòu)。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(gòu)造異構(gòu)體。丁烷的分子中有4個(gè)碳原子，可以有兩種排列方式，所以有兩種異構(gòu)體。

戊烷分子中有5個(gè)碳原子，可以有3種異構(gòu)體。

烷烴分子中，隨碳原子數(shù)目的增加，構(gòu)造異構(gòu)體的數(shù)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(jī)化合物中，同分異構(gòu)現(xiàn)象普遍存在，并隨著碳原子數(shù)目的增多，同分異構(gòu)體的數(shù)目也增多。同分異構(gòu)現(xiàn)象是造成有機(jī)物數(shù)量繁多的原因之一。

知識(shí)鏈接

同分異構(gòu)體

同分異構(gòu)體又稱同分異構(gòu)物，簡稱異構(gòu)體。在化學(xué)中，是指有著相同分子式的分子；各原子間的化學(xué)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(jié)構(gòu)式”。許多同分異構(gòu)體有著相同或相似的化學(xué)性質(zhì)。同分異構(gòu)現(xiàn)象是有機(jī)化合物種類繁多、數(shù)量巨大的原因之一。

同分異構(gòu)體的組成和分子量完全相同而分子的結(jié)構(gòu)不同、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)也不相同，如乙醇和甲醚（C2H6O）。

有機(jī)物中的同分異構(gòu)分為構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)兩大類。具有相同分子式，而分子中原子或基團(tuán)連接的順序不同，稱為構(gòu)造異構(gòu)。在分子中原子的結(jié)合順序相同，而原子在空間的相對(duì)位置不同的，稱為立體異構(gòu)。

構(gòu)造異構(gòu)又分為碳鏈異構(gòu)、官能團(tuán)異構(gòu)、位置異構(gòu)和互變異構(gòu)。立體異構(gòu)又分為構(gòu)象異構(gòu)和構(gòu)型異構(gòu)，而構(gòu)型異構(gòu)還分為順反異構(gòu)和旋光異構(gòu)（又稱對(duì)映異構(gòu)）。構(gòu)象異構(gòu)是指具有一定構(gòu)型的有機(jī)物分子由于碳碳單鍵的旋轉(zhuǎn)或扭曲（不是把鍵斷開）而導(dǎo)致原子或原子團(tuán)的空間相對(duì)位置改變而產(chǎn)生的一種立體異構(gòu)現(xiàn)象。構(gòu)型異構(gòu)是原子或原子團(tuán)在大分子中不同空間排列所產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象，包括順反異構(gòu)、對(duì)映異構(gòu)（也成為旋光異構(gòu)）等。也就是說構(gòu)型異構(gòu)是由于原子或原子團(tuán)連接的位置不同而產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象，而不是由于碳碳單鍵旋轉(zhuǎn)造成的。

3.烷烴的命名

烷烴的命名法是有機(jī)化合物命名的基礎(chǔ)。烷烴常用的命名法有普通命名法和系統(tǒng)命名法。

（1）普通命名法

根據(jù)分子中所含碳原子數(shù)稱某烷。碳原子數(shù)在1～10時(shí)依次用天干（甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）表示；碳原子數(shù)在十以上的用十一、十二、十三等數(shù)字表示。對(duì)含有支鏈的烷烴，則必須在某烷前面加上一個(gè)漢字來區(qū)別，在鏈端第2個(gè)碳原子上連有1個(gè)甲基時(shí)，稱為異某烷；在鏈端第2個(gè)碳原子上連有2個(gè)甲基時(shí)，稱為新某烷；相對(duì)無支鏈的同分異構(gòu)體稱為正某烷。例如：

普通命名法簡單方便，但只能適用于構(gòu)造比較簡單的烷烴。對(duì)于比較復(fù)雜的烷烴必須使用系統(tǒng)命名法。

（2）系統(tǒng)命名法（IUPAC命名法）

系統(tǒng)命名法是中國化學(xué)學(xué)會(huì)根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）制定的有機(jī)化合物命名原則，再結(jié)合我國漢字的特點(diǎn)而制定的。

烷烴分之中去掉一個(gè)氫原子而剩余的原子團(tuán)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(tǒng)命名法中，對(duì)無支鏈的烷烴省去“正”字；對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)目最多的碳鏈作為主鏈，根據(jù)主鏈所含碳原子數(shù)目定名為“某烷”。若分子中有兩條以上等長碳鏈時(shí)，則選擇支鏈多的一條為主鏈。支鏈作為取代基。例如：

②編號(hào)，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?dāng)?shù)字編號(hào)。

若主鏈上有2個(gè)或者2個(gè)以上取代基時(shí)，則主鏈的編號(hào)順序應(yīng)使支鏈位次盡可能小。例如：

若第一個(gè)支鏈的位置相同，則依次比較第二個(gè)、第三個(gè)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?dāng)?shù)字標(biāo)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(shù)字二、三等表示相同取代基的數(shù)目。表示位次數(shù)字之間要用逗號(hào)隔開。若主鏈上連有不同幾個(gè)支鏈時(shí)，則按由小到大的順序?qū)⑷〈奈淮魏兔Q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(gè)字：最長碳鏈，最小定位，同基合并，由簡到繁。

相關(guān)鏈接

烷烴的分子中，與一個(gè)碳原子相連接的碳原子叫做伯碳原子或一級(jí)碳原子，用1°表示；與兩個(gè)碳原子相連接的碳原子叫做仲碳原子或二級(jí)碳原子，用2°表示；與三個(gè)碳原子相連接的碳原子，叫做叔碳原子或三級(jí)碳原子，用3°表示；與四個(gè)碳原子相連接的碳原子叫做季碳原子或四級(jí)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(jí)）、仲（二級(jí)）、叔（三級(jí)）氫原子，常用1°H、2°H、3°H表示。不同類型氫原子的反應(yīng)性能有一定的差別，反應(yīng)活性順序?yàn)?°H>2°H>1°H。

四、烷烴的性質(zhì)

1.物理性質(zhì)

（1）狀態(tài)

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

（2）沸點(diǎn)

直鏈烷烴的沸點(diǎn)隨相對(duì)分子質(zhì)量的增加而有規(guī)律地升高。如圖4-2所示。

沸點(diǎn)的高低與分子間力有關(guān)。烴的碳原子數(shù)目越多，分子間的力就越大。支鏈增多時(shí)，使分子間的距離增大，分子間力減弱，沸點(diǎn)降低。在烷烴的同分異構(gòu)體中，直鏈異構(gòu)體的沸點(diǎn)最高，支鏈越多，沸點(diǎn)越低。

（3）熔點(diǎn)

烷烴熔點(diǎn)變化規(guī)律與沸點(diǎn)相似，C4以上烷烴隨碳原子數(shù)增加而增加（前幾個(gè)不規(guī)則），但含偶數(shù)碳烷烴的熔點(diǎn)比奇數(shù)碳烷烴的高，如圖4-3所示，隨相對(duì)分子質(zhì)量的增加逐漸趨于一致；低級(jí)烷烴的熔點(diǎn)差高于高級(jí)烷烴的熔點(diǎn)差；分子對(duì)稱性越高熔點(diǎn)越高。

（4）相對(duì)密度

烷烴是所有有機(jī)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(jī)溶劑如汽油中。

2.化學(xué)性質(zhì)

烷烴的化學(xué)性質(zhì)與甲烷相似，比較穩(wěn)定，是各類有機(jī)物中最穩(wěn)定的一個(gè)系列。但在一定條件下，烷烴也能發(fā)生氧化反應(yīng)、取代反應(yīng)和裂化反應(yīng)。

（1）氧化反應(yīng)

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(yīng)是天然氣、汽油、柴油作為燃料的基本反應(yīng)，也是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的基本反應(yīng)之一。

烷烴不完全燃燒時(shí)，生成炭黑，在橡膠中廣泛應(yīng)用。

如果控制氧化條件，使反應(yīng)緩慢進(jìn)行，則可使烷烴發(fā)生部分氧化，生成醇、醛、酮和羧酸等有機(jī)含氧混合物。例如：

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

（2）取代反應(yīng)

碳鏈較長的烷烴進(jìn)行氯化時(shí)，可以取代不同的氫原子得到不同的氯代烴。

實(shí)驗(yàn)證明，烷烴分子中不同類型的氫原子發(fā)生取代反應(yīng)的活性順序?yàn)椋菏鍤?gt;仲氫>伯氫。

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

（3）裂化反應(yīng)

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(fā)生斷裂，生成較小分子的反應(yīng)，稱為裂化反應(yīng)。例如：

裂化反應(yīng)的產(chǎn)物一般都是復(fù)雜的混合物。烷烴的裂化反應(yīng)是石油加工過程中的一個(gè)基本反應(yīng)，具有非常重要的意義。根據(jù)所需產(chǎn)物的不同，反應(yīng)條件也不相同。

①熱裂化。在較高溫度（500～700℃）和壓力（2～5MPa）下進(jìn)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(jìn)行。應(yīng)用最廣泛的催化劑是硅酸鋁。

一般由原油經(jīng)分餾而得到的汽油只占原油的10％～20％，且質(zhì)量不好。熱裂化可以大大增加汽油的產(chǎn)量，但汽油的質(zhì)量并不理想。催化裂化產(chǎn)生較多帶有支鏈的烷烴、烯烴和芳烴等，所得的汽油質(zhì)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(chǎn)物為低級(jí)烯烴，如乙烯、丙烯、丁烯等。低級(jí)烯烴是有機(jī)化學(xué)工業(yè)最重要的基本原料。國際上用乙烯的產(chǎn)量來衡量一個(gè)國家石油工業(yè)的發(fā)展水平。

（4）異構(gòu)化反應(yīng)

由一個(gè)化合物轉(zhuǎn)變?yōu)槠洚悩?gòu)體的反應(yīng)叫做異構(gòu)化反應(yīng)。例如，正丁烷在酸性催化劑存在下，可轉(zhuǎn)變?yōu)楫惗⊥椤?/p>

烷烴的異構(gòu)化反應(yīng)主要用于石油加工工業(yè)中，將直鏈烷烴轉(zhuǎn)變成支鏈烷烴，可以提高汽油以及潤滑油的質(zhì)量。