用户:Rockpelt/烷烃

烷烃【拼音：Wán-tīng；英文：Alkane】即饱和烃，是只有碳-碳单键和碳-氢单键的碳氢化合物，是最简单的一类有机化合物。它分为链状和环状两类，分别称为链状烷烃和环烷烃。链状烷烃分子中，氢原子的数目达到最大值，它的通式为C_nH_2n+2，其中n为正整数。分子中每个碳原子都是sp³杂化。最简单的烷烃是甲烷。

“烷”字是新造字，音同完（wán），左边的火取自“碳”字，表示可以燃烧；右边的完表示分子中的氢原子数和碳原子的化合价完整无缺，碳原子的各键完全被氢原子占据，是饱和烃，与烯烃（稀少）和炔烃（缺少）相对比。

结构

烷烃是木星大气层的主要成分

人工合成的正十二面体烷C₂₀H₂₀

烷烃中，每个碳原子都是四价的，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。连接了1、2、3、4个碳的碳原子分别叫做伯、仲、叔、季碳；伯、仲、叔碳上的氢原子分别叫做伯、仲、叔氢。

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，其键角为109°28′（准确值：$arccos(-{1 \over 3})$）。

下面是前10种直链烷烃的分子式和结构模型图。

碳数	中文名称	化学式	结构模型图
1	甲烷	CH4
2	乙烷	C2H6
3	丙烷	C3H8
4	丁烷	C4H10
5	戊烷	C5H12

碳数	中文名称	化学式	结构模型图
6	己烷	C6H14
7	庚烷	C7H16
8	辛烷	C8H18
9	壬烷	C9H20
10	癸烷	C10H22

其他：十一烷、十二烷、十三烷、十四烷

理论上说，由于烷烃的稳定结构，所有的烷烃都能稳定存在。但自然界中存在的烷烃最多不超过50个碳，最丰富的烷烃还是甲烷。

由于烷烃中的碳原子可以按规律随意排列，所以烷烃的结构可以写出无数种。直链烷烃是最基本的结构，理论上这个链可以无限延长。在直链上有可能生出支链，这无疑增加了烷烃的种类。所以，从4个碳的烷烃开始，同一种烷烃的分子式能代表多种结构，这种现象叫同分异构现象。随着碳数的增多，异构体的数目会迅速增长（详见OEIS网站中这个数列）。

烷烃还可能发生光学异构现象。当一个碳原子连接的四个原子团各不相同时，这个碳就叫做手性碳，这种物质就具有光学活性。

烷烃失去一个氢原子剩下的部分叫烷基，一般用R-表示。因此烷烃也可以用通式RH来表示。

命名

主条目：IUPAC命名法

从上到下分别是正、异、新戊烷的结构式。它们的系统名称分别是：戊烷、2-甲基丁烷、2,2-二甲基丙烷。

烷烃最早是使用习惯命名法来命名的。但是这种命名法对于碳数多，异构体多的烷烃很难使用。于是有人提出衍生命名法，将所有的烷烃看作是甲烷的衍生物，例如异丁烷叫做2-甲基丙烷。

现在的命名法使用IUPAC命名法，烷烃的系统命名规则如下：

1. 找出最长的碳链当主链，依碳数命名主链，前十个以天干(甲、乙、丙...)代表碳数，碳数多于十个时，以中文数字命名，如：十一烷。
2. 从最近的取代基位置编号：1、2、3...(使取代基的位置数字越小越好)。以数字代表取代基的位置。数字与中文数字之间以 - 隔开。
3. 有多个取代基时，以取代基数字最小且最长的碳链当主链，并依甲基、乙基、丙基的顺序列出所有取代基。
4. 有两个以上的取代基相同时，在取代基前面加入中文数字：一、二、三...，如：二甲基，其位置以“,”（逗号）隔开，一起列于取代基前面。

异辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的结构式。异辛烷是汽油抗爆震度的一个标准，其辛烷值定为100。

对于一些结构简单或者常用的烷烃，还经常用俗名。如，习惯上直链烷烃的名称前面加“正”字，但系统名称中并没有这个字。在主链的2位有一个甲基的称为“异”，在2位有两个甲基的称为“新”。这虽然只适合于异构体少的丁烷和戊烷，出于习惯还是保留了下来，甚至给不应该叫“异”的2,2,4-三甲基戊烷也冠上了“异辛烷”的名字。

物理性质

烷烃密度比水小。不溶于水，溶于有机溶剂。熔沸点随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。标况下，碳数小于5的(甲烷到丁烷)为气态，5-17之间的(戊烷到十七烷)为液态，18个碳(十八烷)以上为固态。

烷烃

烷烃	公式	沸点 [°C]	熔点 [°C]	20°C下的状态	密度 [g·cm3]
甲烷	CH4	-162	-183	气体	---
乙烷	C2H6	-89	-182	气体	---
丙烷	C3H8	-42	-188	气体	---
丁烷	C4H10	0	-138	气体	---
戊烷	C5H12	36	-130	液体	0.626
正己烷	C6H14	69	-95	液体	0.659
庚烷	C7H16	98	-91	液体	0.684
辛烷	C8H18	126	-57	液体	0.703
壬烷	C9H20	151	-54	液体	0.718
癸烷	C10H22	174	-30	液体	0.730
十一烷	C11H24	196	-26	液体	0.740
十二烷	C12H26	216	-10	液体	0.749
二十烷	C20H42	343	37	固体	---
三十烷	C30H62	450	66	固体	---
四十烷	C40H82	525	82	固体	---
五十烷	C50H102	575	91	固体	---

化学性质

烷烃性质很稳定，因为C-H键和C-C键相对稳定，难以断裂。除了下面三种反应，烷烃几乎不能进行其他反应。

氧化反应

• R + O₂ → CO₂ + H₂O

所有的烷烃都能燃烧，而且反应放热极多。烷烃完全燃烧生成CO₂和H₂O。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）。

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。汽车尾气中的黑烟也是这么一回事。

卤化反应

• R + X₂ → RX + HX

由于烷烃的结构太牢固，一般的有机反应不能进行。烷烃的卤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*.

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%。

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和氢负离子。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。

烷烃在工业中

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。石油分馏得到的各种馏分适用于各种发动机：

• C₁~C₄(40℃以下时的馏分)是石油气，可作为燃料；
• C₅~C₁₁(40~200℃时的馏分)是汽油，可作为燃料，也可作为化工原料；
• C₉~C₁₈(150~250℃时的馏分)是煤油，可作为燃料；
• C₁₄~C₂₀(200~350℃时的馏分)是柴油，可作为燃料；
• C₂₀以上的馏分是重油，再经减压蒸馏能得到润滑油、沥青等物质。

此外，烷烃经过裂解得到烯烃这一反应已成为近年来生产乙烯的一种重要方法。

参看

• 环烷烃
• 烯烃 - 炔烃
• 烷基
• 官能团
• 裂化