烷烃

主要由碳、氫、碳-碳單鍵與碳氫單鍵構成的飽和烴
(重定向自饱和烃

wántīng[2][3](英語:Alkane),俗稱石蜡烃Paraffin[4][5],又常簡稱為烷類[6],是碳氫化合物下的一种饱和烃,其整体构造大多僅由兩種原子構成,且只有碳─碳与碳─氢兩種单键鍵結而成[7],是最简单的一种有机化合物。其下又可细分出链烷烃(鏈狀烷類)与环烷烃(環狀烷類)[8]

圖為最簡單的烷烴類:甲烷(CH4),僅由組成,並且全由單鍵連接,符合烷烴類的特点。[1]

其名[9]雖為《集韻》裡收錄的字,读音同「完」,但化学家取「碳」右下角的「火」,加上「完」也造出此同形異義字;「碳」表示其结构中含有碳,而「完」表示其分子结构中碳原子化合价完足的意思[10]

性質概論

烷類皆難溶於水,在完全燃燒下可轉化為二氧化碳[11],反應式如下:

 

烷類會因組合結構的不同,其性質可能會有極大的差異。若結構相似,則性質相近;若結構不同,性質不同。[11] 正因此,烷類種類繁多;但也由此許多化學式相同的物質,其性質不相同。如戊烷C
5
H
12
[12]

結構圖 IUPAC命名 普通命名 熔點 沸點
  戊烷 正戊烷 -130[13] 36[13]
  2-甲基丁烷 异戊烷 -160[14] 27.85[14]
  2,2-二甲基丙烷 新戊烷 -19.5[15] 9.5[15]

物理性质

人工合成的正十二面體烷(C20H20)結構。左圖為球棍模型,右圖為左圖省略氫原子的版本。

烷烴有許多物理性質:

  • 密度皆小於1*10^3kg/m^3。即密度小于4摄氏度的水(常压)
  • 不溶于水,但溶于有机溶剂。
  • 熔点沸点随著分子量增大和碳链增长而升高,同碳数的烷烃,支链越多沸点越低。
  • 一般情况下,碳数小于5的烷類(甲烷丁烷)为气态,5-16之间的烷類(戊烷十六烷)为液态,17个碳(十七烷)及以上的烷類为固态(十七烷的熔点为21~23℃)。[16]
烷烴 化学式 沸點 [°C] 熔點 [°C] 20 °C下的狀態 密度 [g·cm3]
甲烷 CH4 -162 -182.5 氣體 0.000656
乙烷 C2H6 -89 -182.8 氣體 0.00126
丙烷 C3H8 -42 -187.7 氣體 0.00201
丁烷 C4H10 0 -138.0 氣體 0.00248
戊烷 C5H12[17] 35.2 [17] -130 [17] 液體 [17] 0.649 [17]
己烷 C6H14 69 -95 液體 0.659
庚烷 C7H16[18] 98.8 [18] -91 [18] 液體 [18] 0.695 [18]
辛烷 C8H18[19] 126 [19] -57 [18] 液體 [18] 0.708 [18]
壬烷 C9H20[20] 151.7 [20] -53 [20] 液體 [20] 0.724 [20]
癸烷 C10H22 [21] 174.9 [21] -30 [21] 液體 [21] 0.734 [21]
十一烷 C11H24[22] 196.3 [22] -26 [22] 液體 [22] 0.743 [22]
十二烷 C12H26[23] 216 [23] -12 [23] 液體 [23] 0.753 [23]
十六烷 C16H34 287 18 液体[24] 0.773
十七烷 C17H36 302.2 22 固体 0.777[25]
二十烷 C20H42[26] 343.4 [26] 37 [26] 固體 0.787 [26]
三十烷 C30H62 449.7 66 固體 0.810
四十烷 C40H82 523.88[27] 82 固體 0.817
五十烷 C50H102 575 91 固體 0.824

化学性质

在正常情況下,烷烃性质很稳定,因为碳-氫键碳-碳键相对稳定,难以断裂[28] 、以及烷烴不會搶奪官能團,所以不容易發生反應(如:不能使酸性高锰酸钾褪色;不能使溴水褪色),除了下面三种反应,小分子的烷烃几乎不能进行其他反应。但支链多的烷烃,键角可能不同于 即109.5度,导致其容易發生反应。

燃燒反应

反應通式: CnH2n+2 + (3n+1)÷2 O2 → n CO2+ n+1 H2O

所有的烷烃都能燃烧,而且反应放热极多[29]。烷烃完全燃烧生成CO2H2O[11]。如果O2的量不足,就会产生有毒气体一氧化碳(CO),甚至炭黑(C)[30]。(纯净的烷烃燃烧没有特殊的颜色,一般完全燃烧为淡蓝色,不完全燃烧为黄色或黄白色。)

以甲烷为例:

  • CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

O2供应不足时,反应如下:

  • 2CH4 + 3 O2 → 2CO + 4 H2O
  • CH4 + O2 → C + 2 H2O

分子量大的烷烃经常不能够完全燃烧,它们在燃烧时会有黑烟产生,就是炭黑。

卤代反应

反應通式: [註 1]

由于烷烃的结构太牢固,一般的有机反应不能进行。烷烃的代反应是一种自由基取代反应,反应的起始需要光能来产生自由基。

以下是甲烷被卤代的步骤。这个高度放热的反应可以引起爆炸。

  1. 链引发阶段:在紫外线的催化下形成两个Cl的自由基
    • Cl2 → Cl* / *Cl
  2. 链增长阶段:一个H原子从甲烷中脱离;CH3Cl开始形成。
    • CH4 + Cl*→ CH3* + HCl (慢)
    • CH3* + Cl2 → CH3Cl + Cl*
  3. 链终止阶段:两个自由基重新组合
    • Cl* 和 Cl*, 或
    • R* 和 Cl*, 或
    • CH3* 和 CH3*.[31]

裂解反应

裂化反应是大分子烃在高温、高压或有催化剂的条件下,分裂成小分子烃的过程。裂化反应属于消除反应,因此烷烃的裂化总是生成烯烃。如十六烷(C16H34)经裂化可得到辛烷(C8H18)和辛烯(C8H16)。

由于每个键的环境不同,断裂的机率也就不同,下面以丁烷的裂化为例讨论这一点:

  1. CH3-CH2-CH2-CH3 → CH4 + CH2=CH-CH3
    • 过程中CH3-CH2键断裂,可能性为48%;
  2. CH3-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH3 + CH2=CH2
    • 过程中CH2-CH2键断裂,可能性为38%;
  3. CH3-CH2-CH2-CH3 → CH2=CH-CH2-CH3 + H2
    • 过程中C-H键断裂,可能性为14%。[31]

裂化反应中,不同的条件能引发不同的机理,但反应过程类似。热分解过程中有碳自由基产生,催化裂化过程中产生碳正离子氢负离子。这些极不稳定的中间体经过重排、键的断裂、氢的转移等步骤形成稳定的小分子烃。

在工业中,深度的裂化叫做裂解,裂解的产物都是气体,称为裂解气

命名

烷類的命名多採IUPAC命名法。
命名烷類的首要步驟是分析其為環狀亦或是鏈狀,再進行命名步驟。[32]

鏈烷烴

化學通式:C
n
H
2n+2
[33]
鏈烷烴的命名步驟為:

  1. 找出最長的鏈當主鏈,依碳數命名主鏈,前十個以天干[註 2]代表碳數,碳數多於十個時,以中文數字命名,如:十一烷。
  2. 從最近的取代基位置編號:1、2、3...(使取代基的位置數字越小越好)。以數字代表取代基的位置。數字與中文數字之間以 - 隔開。
  3. 有多個取代基時,以取代基數字最小且最長的碳鏈當主鏈,並依甲基、乙基、丙基的順序列出所有取代基。
  4. 有兩個以上的取代基相同時,在取代基前面加入中文數字:一、二、三...,如:二甲基,其位置以“,”(逗号)隔開,一起列於取代基前面。

因為烷類一般簡單,故亦會使用「正、異、新」去區隔同樣化學式的烷類。IUPAC也曾推薦過此種命名方式[34]。例如己烷命名方式:

普通命名 IUPAC命名 结构简式 结构式
己烷、
正己烷
己烷 CH3(CH2)4CH3  [35]
异己烷 2-甲基戊烷 (CH3)2CH(CH2)2CH3  [36]
新己烷 2,2-二甲基丁烷 CH3C(CH3)2CH2CH3  [37]

環烷烴

化學通式:C
n
H
2(n+1-g)
[註 3] 簡單的環烷烴的命名方式基本上和烷類方式相同,僅需在前添加一環字,以做識別。例如環丙烷

 
環丙烷,化學式為C
3
H
6
[38]

具多環的環烷烴的命名法

除非有俗名,否則具多環的環烷烴如桥环烷烴及螺环烷烴的命名較為複雜。名字包括表示環數量的前綴(如「二環」)、各環內碳原子總數的後綴以及表示各端點之間碳原子數的數字前綴(表示於中括號內。多個環公用的碳原子,即橋頭碳不計入內)。 如例一、例二:

 
例一,二环[3.2.0]庚烷。
 
例二,雙環[2.2.1]庚烷(俗稱降冰片烷

這個環烷總碳數為七,由兩個環組成,尾為「庚烷」,頭為「雙環」。兩個被共用的碳原子間有三個連接路線:一為五元環的部分,共三個碳(兩個橋頭碳不計入內,下同);二為四元環的部分,共二個碳;三為兩環之間共用的邊綫,只由兩橋頭碳直接連結,中間沒有碳。由此得出中括號內的數字(以降序表示數字之間用點分隔),[3.2.0]。故上圖的環烷名為二环[3.2.0]庚烷,而數字的個數總比環數多一個(在此有兩個環及三個數字)。「[3.2.0]二环庚烷」亦可接受,但環上有取代基時「二环[3.2.0]庚烷」有保留前面的位置的好處,方便加上其他含數字的前綴,以符合IUPAC命名常規。

上圖環烷總碳數為七,全為單鍵,詞尾為庚烷;兩共用碳間有兩對二碳碳鏈,也被一個碳原子連接著,故詞尾之前的數字前綴為[2,2,1](共用碳不計入內);這個環烷由兩個環組成,故前綴為「雙環」,最後得出「雙環[2.2.1]庚烷」。

特例

出于化工习惯,异辛烷不是2-甲基庚烷,而是2,2,4-三甲基戊烷。

结构

烷烃中,每个碳原子都是四的,采用sp3杂化轨道,与周围的4个碳或氢原子形成牢固的σ键,可以旋轉,故烷類無順反異構物
为了使键的排斥力最小,连接在同一个碳上的四个原子形成四面体。甲烷是标准的正四面体形态,其键角 ,大約等於109°28′。[39]
下面是前10种直链烷烃的分子式和结构模型图。

異構體

 
不同的四碳烴類(從左到右): 正丁烷异丁烷同分異構體,化學式皆為C4H10[40]環丁烷异丁烯同分異構體,化學式皆為C4H8
雙環[1.1.0]丁烷是唯一化學式為C4H6的烷烴。

烷類的異構物大多是鏈異構(由於支鏈不同而造成的異構物)。超过3个碳原子的烷烃可以以多种方式排列,形成同分异构体。烷烴異構物的數目會隨著碳數增加而增加(OEIS數列A000602[41]

链烷烴的異構體

  • C1:沒有同分異構體: 甲烷
  • C2:沒有同分異構體: 乙烷
  • C3:沒有同分異構體: 丙烷
  • C4:兩個異構體: 正丁烷, 異丁烷
  • C5:三個異構體: 正戊烷, 異戊烷, 新戊烷
  • C6:五個異構體: 己烷
  • C12:355個異構體
  • C32: 27,711,253,769個異構體
  • C60: 22,158,734,535,770,411,074,184個異構體,其中有很多為非穩定狀態。[42]

分佈

 
烷烴是木星大氣層的主要成分[43]

烷烴在宇宙間分布眾多,其中分布最多的是甲烷,而極少見由10,050個碳原子以上所構成的烷烴[44]

太陽系的分布

烷烴分布於太陽系間許多星球的大氣層。有些佔了較多的比例,例如天王星(2.3%)[45]土衛六(5%)[46],但在大多星球上,分布較少,如地球火星土星等等[47]

地球上的分布

地球上的烷烴多為甲烷,而甲烷的濃度隨地球緯度降低而遞減,並在北緯40度及赤道附近都有明顯濃度下降。北半球與南半球平均濃度各為1.65ppm及1.55ppm。[48]

應用

工業上的應用

 
异辛烷(2,2,4-三甲基戊烷)的结构式。

由于烷烃的制取成本较高(一般要用烯烃催化加氢),所以在工业上不制取烷烃,而是直接从石油中提取。由于烷烃不易发生反应,所以工业上也不把它作为化工基本原料。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。

由於烷烴大多來自於石油,所以必須經過分馏的過程,以得到各種不同用途的烷烴類。 分餾結果大約如下:

成分 碳數 分餾溫度 用途
石油氣 C1–C4 <20℃ 燃料化工原料
石油醚 C5–C6 20℃-60℃ 有機溶劑
汽油 C7–C9 60℃-200℃ 燃料
煤油 C10–C16 175℃-300℃ 燃料
柴油 C15–C20 250℃-10,400℃ 燃料

其他

注释

  1. ^ X即為鹵素
  2. ^ 天干:甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸
  3. ^ n為碳原子數,g為環的數量。

参考文献

  1. ^ 国二下自然与生活科技(康軒版), 第四冊. 第四章. 有機化合物. (PDF). [2011-10-04]. (原始内容存档 (PDF)于2020-08-03). 
  2. ^ 《化學命名原則》,第四版,國立編譯館,2004. [2018-01-15]. (原始内容存档于2021-02-10). 
  3. ^ 中華民國教育部重編國語辭典修訂本 - 烴. [2017-08-27]. (原始内容存档于2021-02-06). 
  4. ^ 化工词典上的烷烃. ChemYQ.com. [2011-10-04]. (原始内容存档于2020-12-25). 
  5. ^ 台灣銀行/金融小百科/景氣循環產業/塑化/石蠟烴解釋頁. 嘉實資訊. [2011-10-04]. (原始内容存档于2020-08-03). 
  6. ^ 存档副本. [2021-01-05]. (原始内容存档于2021-01-09). 
  7. ^ http://chem188.cn/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=3409,其中亦有可能出现页面存档备份,存于互联网档案馆卤素,因为其价数和氢原子相同,为+1,所以可以取代氢原子。[永久失效連結]
  8. ^ 分類 (PDF). Docs.google.com. [2017-08-17]. (原始内容存档 (PDF)于2020-08-03). 
  9. ^ 烷的解释|烷的意思|汉典“烷”字的基本解释. Zdic.net. [2017-08-17]. (原始内容存档于2013-06-16). 
  10. ^ http://dict.revised.moe.edu.tw/cgi-bin/cbdic/gsweb.cgi?o=dcbdic&searchid=W00000011486. [2017-08-17]. (原始内容存档于2021-01-28).  缺少或|title=为空 (帮助)
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 許立侖、許喆翔. 《國中自然與生活科技 第四冊學習講義》P138. 康軒文教事業. 
  12. ^ 异戊烷
  13. ^ 13.0 13.1 正戊烷 | 109-66-0. Chemicalbook.com. [2017-08-17]. (原始内容存档于2020-08-03). 
  14. ^ 14.0 14.1 2-甲基丁烷(异戊烷) CAS#: 78-78-4. Chemicalbook.com. [2017-08-17]. (原始内容存档于2020-08-03). 
  15. ^ 15.0 15.1 新戊烷(463-82-1) MSDS 性质 熔点 处理 密度 比重. Chemicalbook.com. [2017-08-17]. (原始内容存档于2020-08-03). 
  16. ^ 參考資料. Docs.google.com. [2017-08-17]. (原始内容存档于2020-08-03). 
  17. ^ 17.0 17.1 17.2 17.3 17.4 戊烷. 化工百科. [2015-05-28]. (原始内容存档于2019-09-12). 
  18. ^ 18.0 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 庚烷. 化工百科. [2015-05-28]. (原始内容存档于2019-09-12). 
  19. ^ 19.0 19.1 辛烷. 化工百科. [2015-05-28]. (原始内容存档于2019-09-18). 
  20. ^ 20.0 20.1 20.2 20.3 20.4 壬烷. 化工百科. [2015-05-28]. (原始内容存档于2019-09-13). 
  21. ^ 21.0 21.1 21.2 21.3 21.4 癸烷. 化工百科. [2015-05-28]. (原始内容存档于2019-08-27). 
  22. ^ 22.0 22.1 22.2 22.3 22.4 十一烷. 化工百科. [2015-05-28]. (原始内容存档于2019-09-03). 
  23. ^ 23.0 23.1 23.2 23.3 23.4 十二烷. 化工百科. [2015-05-28]. (原始内容存档于2019-08-25). 
  24. ^ Record in the GESTIS Substance Database from the IFA英语Institute for Occupational Safety and Health
  25. ^ she., Ren min jiao yu chu ban; 人民教育出版社. Hua xue (bi xiu). 2. Di 1 ban. Beijing: Ren min jiao yu chu ban she https://www.worldcat.org/oclc/666543370. 2004. ISBN 9787107176494. OCLC 666543370.  缺少或|title=为空 (帮助)
  26. ^ 26.0 26.1 26.2 26.3 二十烷. 化工百科. [2015-05-28]. (原始内容存档于2019-09-13). 
  27. ^ 存档副本. [2020-03-27]. (原始内容存档于2020-12-25). 
  28. ^ 冀政勤、毛翰梅. 有機化學. 台北市: 五南. 2001-02-22 [2011-09-19]. ISBN 957-11-2276-9. (原始内容存档于2015-02-21). 
  29. ^ 學習加油站遷移轉址到教育雲-教育大市集. Content.edu.tw. [2017-08-17]. (原始内容存档于2014-02-26). 
  30. ^ 烷類(Alkanes)(二)──化學反應 | 科學Online. Highscope.ch.ntu.edu.tw. 2014-06-20 [2017-08-17]. (原始内容存档于2021-01-11). 
  31. ^ 31.0 31.1 https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:UylIK0hlBXMJ:163.23.148.7/sweb/pub/downfiles.php%3Frec_id%3D176%26rel_nm%3D1%26account%3Djiahui+%E7%83%B7%E9%A1%9E+%E7%87%83%E7%87%92&hl=zh-TW&gl=tw&pid=bl&srcid=ADGEESjVn_S4UBj386pOI7NtQloiuyGfCymgttRAfWW2AE_PJB9awjuKFypwR0q1w3QyFOwcCqsao9NApFyloGNUquPoILBB4iZ2ZHgi_DLolYLdP7zuIRY4qYXTKkczeEWQbTLiXZv4&sig=AHIEtbTaNJ-0RUBSkexAGhzfaapV4QNrZQ. [2017-08-17]. (原始内容存档于2020-12-25).  缺少或|title=为空 (帮助)
  32. ^ 參考自IUPAC命名法
  33. ^ Silderberg, 623
  34. ^ Panico, R.; Powell, W. H. (编). A Guide to IUPAC Nomenclature of Organic Compounds 1993. Oxford: Blackwell Science. 1994. ISBN 978-0-632-03488-8. 
  35. ^ 己烷;物理性质,化学性质,英文名,分子量,结构式,分子式,CAS号,制备方法,用途,溶点,沸点,毒性,MSDS,供应商,公司. Chemyq.com. 2014-10-01 [2017-08-17]. (原始内容存档于2020-02-08). 
  36. ^ 异己烷;2-Methylpentane;Isohexane;物理性质,化学性质,英文名,分子量,结构式,分子式,CAS号,制备方法,用途,溶点,沸点,毒性,MSDS,供应商,公司. Chemyq.com. 2014-10-01 [2017-08-17]. (原始内容存档于2019-07-12). 
  37. ^ CAS 登录号:75-83-2, 2,2-二甲基丁烷, 新己烷. Chemblink.com. [2017-08-17]. (原始内容存档于2020-08-03). 
  38. ^ Merck Index, 11th Edition, 2755.
  39. ^ 存档副本. [2011-09-13]. (原始内容存档于2019-07-16). 
  40. ^ Bond dissociation energies: Senosiain, J. P.; Han, J. H.; Musgrave, C. B.; Golden, D. M. Faraday Discussions (2001), vol. 119, 173-189
  41. ^ 學習加油站遷移轉址到教育雲-教育大市集. Content.edu.tw. [2017-08-17]. (原始内容存档于2013-06-06). 
  42. ^ Meierhenrich, U. Amino Acids and the Asymmetry of Life. Springer. 2008 [18 October 2008]. ISBN 978-3-540-76885-2. (原始内容存档于2009-09-05). 
  43. ^ Kim, S. J.; Caldwell, J.; Rivolo, A. R.; Wagner, R. Infrared Polar Brightening on Jupiter III. Spectrometry from the Voyager 1 IRIS Experiment. Icarus. 1985, 64: 233–48 [2007-08-28]. doi:10.1016/0019-1035(85)90201-5. (原始内容存档于2021-04-26). 
  44. ^ 烷的意思.含义.解释.读音.在线高级汉语词典查询. Chinabaike.com. [2017-08-17]. (原始内容存档于2017-08-17). 
  45. ^ 存档副本. [2011-09-15]. (原始内容存档于2010-09-06). 
  46. ^ http://www.natureasia.com/taiwan/nature/updates/index.php?i=5857&issue=7080[永久失效連結]
  47. ^ Courtin, R.; Gautier, D.; Marten, A.; Bezard, B. The Composition of Saturn's Atmosphere at Temperate Northern Latitudes from Voyager IRIS spectra. Bulletin of the American Astronomical Society. 1967, 15: 831 [2007-02-04]. (原始内容存档于2019-09-26). 
  48. ^ http://210.60.226.25/science/content/1986/00110203/0010.htm[永久失效連結]
  49. ^ 石油分餾產品的沸點與成分. Emfuel.com. [2017-08-17]. (原始内容存档于2021-04-17). 
  50. ^ Petroleum and Coal. Chemed.chem.purdue.edu. [2017-08-17]. (原始内容存档于2009-04-25). 
  51. ^ (PDF) http://www.iupac.org/publications/pac/1983/pdf/5502x0199.pdf. [2017-08-17]. (原始内容存档 (PDF)于2017-08-30).  缺少或|title=为空 (帮助)
  52. ^ 存档副本. [2015-05-15]. (原始内容存档于2015-04-07). 

延伸閱讀

外部链接

参见