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烷烃

主要由碳、氫、碳－碳單鍵與碳氫單鍵構成的飽和烴

烷（wán）烃（tīng）[2][3]（英语：Alkane），俗称石蜡烃（Paraffin）[4][5]，又常简称为烷类[6]，是碳氢化合物下的一种饱和烃，其整体构造大多仅由碳、氢两种原子构成，且只有碳─碳与碳─氢两种单键键结而成[7]，是最简单的一种有机化合物。其下又可细分出链烷烃（链状烷类）与环烷烃（环状烷类）[8]。

图为最简单的烷烃类：甲烷（CH4），仅由碳和氢组成，并且全由单键连接，符合烷烃类的特点。[1]

其名烷[9]虽为《集韵》里收录的字，读音同“完”，但化学家取“碳”右下角的“火”，加上“完”也造出此同形异义字；“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]。

性质概论

烷类皆难溶于水，在完全燃烧下可转化为二氧化碳和水[11]，反应式如下：

 

烷类会因组合结构的不同，其性质可能会有极大的差异。若结构相似，则性质相近；若结构不同，性质不同。[11] 正因此，烷类种类繁多；但也由此许多化学式相同的物质，其性质不相同。如戊烷（C
5H
12）[12]：

结构图 IUPAC命名 普通命名 熔点 沸点
  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体烷（C20H20）结构。左图为球棍模型，右图为左图省略氢原子的版本。

烷烃有许多物理性质：

  • 密度皆小于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。
  • 熔点与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的烷类（甲烷到丁烷）为气态，5-16之间的烷类（戊烷到十六烷）为液态，17个碳（十七烷）及以上的烷类为固态(十七烷的熔点为21～23℃）。[16]
烷烃 化学式 沸点 [°C] 熔点 [°C] 20 °C下的状态 密度 [g·cm3]
甲烷 CH4 -162 -182.5 气体 0.000656
乙烷 C2H6 -89 -182.8 气体 0.00126
丙烷 C3H8 -42 -187.7 气体 0.00201
丁烷 C4H10 0 -138.0 气体 0.00248
戊烷 C5H12[17] 35.2 [17] -130 [17] 液体 [17] 0.649 [17]
己烷 C6H14 69 -95 液体 0.659
庚烷 C7H16[18] 98.8 [18] -91 [18] 液体 [18] 0.695 [18]
辛烷 C8H18[19] 126 [19] -57 [18] 液体 [18] 0.708 [18]
壬烷 C9H20[20] 151.7 [20] -53 [20] 液体 [20] 0.724 [20]
癸烷 C10H22 [21] 174.9 [21] -30 [21] 液体 [21] 0.734 [21]
十一烷 C11H24[22] 196.3 [22] -26 [22] 液体 [22] 0.743 [22]
十二烷 C12H26[23] 216 [23] -12 [23] 液体 [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] 固体 0.787 [26]
三十烷 C30H62 449.7 66 固体 0.810
四十烷 C40H82 523.88[27] 82 固体 0.817
五十烷 C50H102 575 91 固体 0.824

化学性质

在正常情况下，烷烃性质很稳定，因为碳－氢键和碳－碳键相对稳定，难以断裂[28] 、以及烷烃不会抢夺官能团，所以不容易发生反应（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，导致其容易发生反应。

燃烧反应

反应通式： 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CO2和H2O[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

反应通式： [注 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*.[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。

命名

主条目：IUPAC命名法

烷类的命名多采IUPAC命名法。
命名烷类的首要步骤是分析其为环状亦或是链状，再进行命名步骤。[32]

链烷烃

化学通式：C
nH
2n+2[33]
链烷烃的命名步骤为：

  1. 找出最长的碳链当主链，依碳数命名主链，前十个以天干[注 2]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。

因为烷类一般简单，故亦会使用“正、异、新”去区隔同样化学式的烷类。IUPAC也曾推荐过此种命名方式[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]

环烷烃

化学通式：C
nH
2(n+1-g)[注 3] 简单的环烷烃的命名方式基本上和烷类方式相同，仅需在前添加一环字，以做识别。例如环丙烷：

 
环丙烷，化学式为C
3H
6[38]

具多环的环烷烃的命名法

除非有俗名，否则具多环的环烷烃如桥环烷烃及螺环烷烃的命名较为复杂。名字包括表示环数量的前缀（如“二环”）、各环内碳原子总数的后缀以及表示各端点之间碳原子数的数字前缀（表示于中括号内。多个环公用的碳原子，即桥头碳不计入内）。 如例一、例二：

 
例一，二环[3.2.0]庚烷。
 
例二，双环[2.2.1]庚烷（俗称降冰片烷）

这个环烷总碳数为七，由两个环组成，尾为“庚烷”，头为“双环”。两个被共用的碳原子间有三个连接路线：一为五元环的部分，共三个碳（两个桥头碳不计入内，下同）；二为四元环的部分，共二个碳；三为两环之间共用的边线，只由两桥头碳直接连结，中间没有碳。由此得出中括号内的数字（以降序表示数字之间用点分隔），[3.2.0]。故上图的环烷名为二环[3.2.0]庚烷，而数字的个数总比环数多一个（在此有两个环及三个数字）。“[3.2.0]二环庚烷”亦可接受，但环上有取代基时“二环[3.2.0]庚烷”有保留前面的位置的好处，方便加上其他含数字的前缀，以符合IUPAC命名常规。

上图环烷总碳数为七，全为单键，词尾为庚烷；两共用碳间有两对二碳碳链，也被一个碳原子连接著，故词尾之前的数字前缀为[2,2,1]（共用碳不计入内）；这个环烷由两个环组成，故前缀为“双环”，最后得出“双环[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，可以旋转，故烷类无顺反异构物。
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，其键角为 ，大约等于109°28′。[39]
下面是前10种直链烷烃的分子式和结构模型图。

异构体

 
不同的四碳烃类（从左到右）： 正丁烷和异丁烷为同分异构体，化学式皆为C4H10[40]；环丁烷和异丁烯为同分异构体，化学式皆为C4H8
双环[1.1.0]丁烷是唯一化学式为C4H6的烷烃。

烷类的异构物大多是链异构（由于支链不同而造成的异构物）。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。烷烃异构物的数目会随著碳数增加而增加（OEIS数列A000602）[41]。

链烷烃的异构体

  • C1：没有同分异构体： 甲烷
  • C2：没有同分异构体： 乙烷
  • C3：没有同分异构体： 丙烷
  • C4：两个异构体： 正丁烷, 异丁烷
  • C5：三个异构体： 正戊烷, 异戊烷, 新戊烷
  • C6：五个异构体： 己烷
  • C12：355个异构体
  • C32： 27,711,253,769个异构体
  • C60： 22,158,734,535,770,411,074,184个异构体，其中有很多为非稳定状态。[42]

分布

 
烷烃是木星大气层的主要成分[43]

烷烃在宇宙间分布众多，其中分布最多的是甲烷，而极少见由10,050个碳原子以上所构成的烷烃[44]。

太阳系的分布

烷烃分布于太阳系间许多星球的大气层。有些占了较多的比例，例如天王星（2.3%）[45]、土卫六（5%）[46]，但在大多星球上，分布较少，如地球、火星、土星等等[47]。

地球上的分布

地球上的烷烃多为甲烷，而甲烷的浓度随地球纬度降低而递减，并在北纬40度及赤道附近都有明显浓度下降。北半球与南半球平均浓度各为1.65ppm及1.55ppm。[48]

应用

工业上的应用

 
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。

由于烷烃大多来自于石油，所以必须经过分馏的过程，以得到各种不同用途的烷烃类。 分馏结果大约如下：

成分 碳数 分馏温度 用途
石油气 C1–C4 ＜20℃ 燃料、化工原料
石油醚 C5–C6 20℃－60℃ 有机溶剂
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即为卤素。
  2. ^ 十天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸
  3. ^ n为碳原子数，g为环的数量。

参考文献

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延伸阅读

外部链接

 
维基共享资源中相关的多媒体资源：Alkane
 
查看维基词典中的词条“烷烃”。

参见

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