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烷烃

含氢最多的烃,通式CnH2n+2。烷烃分子中碳原子以单键相联成链,剩下的价完全被氢原子所饱和。

同分异构

烷烃同系列的前三个成员甲烷CH4、乙烷 CH3CH3和丙烷CH3CH2CH3,都只有一种结构,丁烷有两种异构体(见同分异构体):直链的丁烷CH3CH2CH2CH3和支链的异丁烷(CH2)3CH。直链表示碳链没有分支,不是指碳链的形象。异丁烷就有一个分支。随着碳原子数目 的增加,异构体的数目也迅速上升。碳原子数为5、6、7、8、9、10和15时, 可能的结构异构体的数目分别为:3、5、9、18、35、75和4347。

公式 符号

从C4H10到C10H22,所有的结构异构体都已合成出来,更高级的烷烃只有少数异构体是已知的。从C7H16起还可能有旋光异构体(见旋光异构)。

结构

甲烷分子中H─C─H的键角(见化学键)为109.5°,其他烷烃中H─C─H和C─C─C的键角分别为106°和112°:

公式 符号

上式中实线表示在纸平面上,楔形实线表示在纸平面前方,虚线表示在纸平面后方。烷烃中C─C和C─H键的键长变化很小,分别为1.54埃和1.09埃。

由于围绕C─C键的旋转不是完全自由而是受到一定阻碍的,乙烷及更高级的同系物分子有各种不同的构象(见分子的构象)。

根据量子化学的描述,碳原子以sp3杂化轨道与别的碳原子的sp3杂化轨道和氢原子的1s轨道相互重叠,分别生成C─C和C─H等σ键。

命名

直链烷用“烷”字表示它属于烷同系列,用天干甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和十一、十二等表示链上碳原子的数目;支链烷是选择分子中最长碳链作为主链,写出相应的直链烷的名称,将它作为母体,主链上的支链作为取代基;将主链用阿拉伯数字编号,使表示取代基位置的数字为最小;然后在母体名称的前面加上取代基的位置和名称,阿拉伯字和汉字之间加一短划,相同取代基的位次与名称之间加上取代基的数目(汉字),几个阿拉伯字之间用逗号分开,例如:

公式 符号物理性质

烷烃为无色物质,在室温(20℃)和常压下含1~4个碳原子的烷烃和2,2-二甲基丙烷为气体;直链烷含5~16个碳原子的为液体;含17个碳原子以上的为固体。支链烷的沸点比含同数碳原子的直链烷低。烷的相对密度小于1,粘度随碳链长度的增加而上升。烷烃不溶于水,能溶于无水乙醇、乙醚和丙酮等有机溶剂。一些烷烃的物理常数见表。

图来源和制法

烷烃的主要来源是天然气和石油,煤的催化加氢(见催化氢化反应)也产生烷烃。

C1~C4的低级烷烃可用分馏法从天然气、油田气或裂化气中分离纯化,用更复杂的方法还可以分出戊烷和异戊烷。具有指定结构的纯烷烃可以由适当的原料合成,常用的方法有:

(1)烯烃的催化加氢:

公式 符号

(2)卤代烷的还原:

RI+HI─→RH+I2

(3)卤代烷与金属钠或锂等作用:

2RX+2Na─→R—R+2NaX

R表示烷基。烷烃主要用作燃料、溶剂、润滑剂和有机化学工业的原料。