只含有碳氢两种元素化合物
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第九章 烃只含有碳氢两种元素的化合物，称为碳氢化合物，简称烃。
烃是一类非常重要的有机化合物，广泛存在于自然界中，如石油和煤中就存有大量的烃类物质。
烃是有机化合物的“母体”，其它各类有机化合物可视为它的衍生物。
根据烃分子中的碳架呈链状或环状，可以把烃分为链烃和环烃两大类。
链烃又叫脂肪烃，它又分为饱和烃和不饱和烃。
表9－1 烃的分类烃链烃环烃饱和烃（烷烃）不饱和烃烯烃炔烃脂环烃芳香烃例如：例如：例如：例如：例如：HC CH H 3C H C CH 2H 3C CH 2CH 3第一节 烷 烃分子中碳原子间都以单键相连结，碳原子的其余价键都与氢原子结合，这样的开链烃称为饱和链烃，简称烷烃。
最简单的烷烃是甲烷。
一、甲烷的分子结构甲烷由一个碳原子和四个氢原子组成，分子式为CH 4，甲烷的电子式和结构式为：H CHH H C H H HH上述甲烷分子的结构式并不能反映出甲烷分子的立体构型。
经物理实验方法证明，甲烷的四个C－H键键长相等，都是1.09×10-10 m,四个键角相同，都是109。
28′。
据此甲烷应是一个正四面体结构的分子，碳原子位于正四面体的中心，四个价键伸向正四面体的四个顶角，与四个氢原子结合。
（见图9－1）图9－1甲烷的空间结构模型（a）正四面体模型(b)凯库勒模型(c)斯陶特模型怎样解释甲烷分子的立体结构呢？（一）碳原子的sp3杂化鲍林等人提出了原子轨道杂化理论，该理论认为，形成甲烷分轨道上，形成四个子时，碳原子的一个2s电子吸收能量激发到2pz单电子轨道，碳原子从基态变为激发态，激发后，碳原子就可以形成四个共价键，但实验证明，甲烷分子的四个碳氢键是完全相同的。
为了解决这一矛盾，鲍林等人进一步提出了原子轨道的杂化，即碳原子的1个2s轨道、3个2p轨道重新组合形成四个能量相等的新轨道，这个过程叫做原子轨道的杂化。
这种由1s轨道和3个p轨道参加的杂化，叫sp3杂化，形成的新轨道叫sp3杂化轨道。
每个sp3杂化轨道均含有1/4s轨道成分和3/4p轨道成分，sp3杂化轨道的形状既不是s轨道的球形，也不是p轨道的哑铃形，而是一头大一头小的不对称的葫芦形，这样更有利于形成共价键时的轨道最大重叠（图9－2）。
四个sp3杂化轨道以碳原子为中心，大头伸向正四面体的四个顶点，四个sp3杂化轨道之间夹角为109。
28′，这样排布使四个sp3杂化轨道尽可能彼此远离，电子云之间相互斥力最小，体系最稳定，因此甲烷具有正四面体的空间结构。
图9－2碳原子的sp3杂化（二）σ键甲烷分子中的C－H键是由氢原子的1s轨道，沿着碳原子sp3杂化轨道对称轴方向正面重叠（“头碰头”重叠）而成，这种共价键的成键电子云围绕两个成键原子的键轴对称分布，称为σ键。
σ键的特点是电子云对键轴呈圆柱形对称分布，成键两原子可以围绕键轴相对旋转而不影响电子云的分布和改变键的强度。
所以，σ键是一种比较稳定的共价键。
其它烷烃分子中所有的碳原子都是以sp3杂化轨道形成C－Cσ键和C－Hσ键（图9－3），例如乙烷分子中有六个C－Hσ键和一个C－Cσ键，彼此键角均为109。
28′。
图9－3烷烃分子中的σ键由于烷烃分子的键角基本保持109。
28′，因此碳链的立体形状不是直线型，而呈锯齿状。
例如已烷的碳链可表示为：CH3CH22CH22CH3二、烷烃的同系列和同分异构现象(一)同系列烷烃中最简单的是甲烷，分子式是CH4，随碳原子数逐渐递增，可以得到一系列的烷烃：名称：甲烷乙烷丙烷丁烷戊烷……分子式：CH4C2H6C3H8C4H10C5H12……以上的一系列烷烃中，相邻的两个化合物之间的组成差CH2，称为同系差。
在有机化合物中，把结构相似、在分子组成上相差1个或几个CH2原子团的一系列化合物称为同系列。
同系列中的化合物互称为同系物。
烷烃分子随着碳原子数的增加，碳链增长，氢原子数也随之增多。
如果碳原子数目是n，则氢原子数目是2n+2,所以烷烃的组成通式可用Cn H2n+2表示。
有了通式，只要知道烷烃分子中所含碳原子的数目，就能写出它的分子式。
（二）烷烃的同分异构现象有机物的同分异构现象非常普遍，烷烃的同分异构现象主要有碳链异构和构象异构，本章只讨论碳链异构。
碳链异构是指由于碳原子结合的顺序不同，从而产生直链的和带支链的异构体的异构现象。
烷烃中除甲烷、乙烷、丙烷没有碳链异构现象外，其余烷烃都有碳链异构，例如丁烷有两种，戊烷有三种异构体。
丁烷C4H10:CH3CH2CH2CH3CH3CH CH3CH3正丁烷异丁烷戊烷C5H12:CH3C CH33CH3CH3CH2CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3CH3正戊烷异戊烷新戊烷随着烷烃分子碳原子数的增加，异构体的数目迅速增多。
例如已烷有5种，庚烷有9种，辛烷有18种，癸烷有75种之多。
（三）碳原子的类型观察烷烃异构体的结构式，可以发现碳原子在碳链中所处的地位并不相同，为加以识别，通常把碳原子分为四类：伯碳原子：只与一个碳原子直接相连的碳原子，又称一级碳原子，用1。
表示。
仲碳原子：与两个碳原子直接相连的碳原子，又称二级碳原子，用2。
表示。
叔碳原子：与三个碳原子直接相连的碳原子，又称三级碳原子，用3。
表示。
季碳原子：与四个碳原子直接相连的碳原子，又称四级碳原子，用4。
表示。
例如下列烷烃结构中的各类碳原子：CH3CCH3CH3CH2CH3CH34°1°1°2°3°1°1°1°连接在伯、仲、叔碳上的氢原子分别叫做伯（1。
）、仲（2。
）、叔（3。
）氢原子。
四种碳和三种氢原子所处的环境不同，反应性能也有差异。
三、烷烃的命名有机化合物的种类繁多，掌握有机化合物的命名法是学习有机化学的一项基本任务。
正确的名称不仅能反映出有机物的组成，还能反映出其分子结构。
烷烃的命名法有两种，即普通命名法和系统命名法。
（一）普通命名法普通命名法又称习惯命名法，只适用于结构比较简单的烷烃，命名原则如下：1、按分子中碳原子数目称为“某烷”，对含有1～10个碳原子的烷烃，采用天干（甲乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）命名，从含有11个碳原子以上的烷烃，用中文数字命名。
例如：CH 4 甲烷 C 4H 10 丁烷 C 10H 22 癸烷 C 13H 28 十三烷2、为区别异构体，常用“正”、“异”、“新”来区别，不含支链的烷烃叫“正”某烷，若在碳链一端含有特定结构（异丙基）的烷烃叫“异”某烷，若在碳链一端含有特定结构（叔丁基）的烷烃叫“新”某烷。
例如：戊烷的三个异构体的习惯命名法。
CH 3C CH 33CH 3CH 3CH 2CH 2CH 2CH 3CH 3CHCH 2CH 3CH 3正戊烷 异戊烷 新戊烷 （二）系统命名法系统命名法是根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC ）制定的命名原则，结合我国文字特点而制定的。
要学习系统命名法，首先要了解烷基的概念，烷烃分子去掉一个氢原子剩余的部分称为烷基，通式为C n H 2n +1－，常用R －表示。
常见的烷基有：CH 3－ 甲基 CH 3CH 2－ 乙基 CH 3CH 2CH 2－ 正丙基CH 3CH 2CH 2CH 2正丁基 CH 3CH 2CHCH 3仲丁基 H 3C CH H 3C 异丙基命名原则：1、选择最长的碳链作为主链，按主链所含碳原子数称为“某烷”；2、把支链作为取代基，从靠近取代基的一端开始用阿拉伯数字给主链碳原子编号，确定取代基的位置；3、把取代基的名称写在“某烷”之前，把取代基的位置写在取代基的名称和数目的前面，中间用短线隔开；如果有相同的取代基则合并写，并在取代基前用二、三、四等注明相同取代基的数目；例如：CH 3CH 2CHCH 2CH 2CH 3CH 2CH 3 H 3C C CH 3CH 3CH 2CH 3 CH 3CHCH 2CHCH 2CH 3CH 3CH 33－乙基已烷 2,2－二甲基丁烷 2,4－二甲基已烷H 3C C CH 3CH 3CH CH 2CH 3CH 3H 3C C CH 3CH 3CH 32,2，3－三甲基戊烷 2,2－二甲基丙烷5、若主链上有几个不同的取代基，应把小的基团写在前面，把大的基团写在后面；所谓大小“顺序规则”主要是比较原子序数，原子序数大的原子叫较大基团，例如：—I ＞—Br ＞—Cl ＞—SH ＞—OH ＞—NH 3＞—CH 3＞—H烷基的优先顺序：异丙基＞异丁基＞丁基＞丙基＞乙基＞甲基 例如：H 3C CH C H 2CH 3C H C CH 2CH 3CH 3CH 3CH 32，3,5－三甲基－3－乙基已烷四、烷烃的性质（一）物理性质物理性质主要是指化合物存在的状态、颜色、气味、密度、溶解度、熔点、沸点和折光率等。
纯净的物质在一定条件下有固定的密度、溶解度、熔点、沸点和折光率等物理性质，称为物理常数，物理常数对有机化合物的鉴定、分离、纯化具有重要意义。
例如戊烷在常温常压下沸点为36.1℃、熔点－129℃、密度0.6264g cm -3，折光率（n D 20）1.3575。
在常温常压下，C 1～C 4的直链烷烃是气体；C 5~C 6是液体；C 17以上是固体。
它们的沸点和熔点随碳原子数目的增加而升高，同系物之间，每增加一个CH 2，沸点约升高20～30℃。
例如戊烷C 5H 12沸点36.1℃,已烷C 6H 14沸点68.7℃。
此外，在同分异构体中沸点随支链的增多而降低。
原因是分子中的支链，阻碍分子之间的紧密排列，减弱分子间的引力，从而降低了沸点。
例如：正戊烷沸36.1℃ 异戊烷沸点25℃，新戊烷沸点9℃。
烷烃的密度都小于1g cm -3,因此比水轻，属非极性化合物，不溶于极性的水，而溶于有机溶剂，服从“相似相溶”规则。
（二）化学性质1、稳定性 由于烷烃的结构都与甲烷相似，分子中各个原子间都以σ键相结合，σ键比较牢固，因而烷烃的化学性质比较稳定，通常不与强酸、强碱、强氧化剂作用。
例如：将甲烷气体通入高锰酸钾酸性溶液，可以观察到高锰酸钾溶液不褪色，说明甲烷不与强氧化剂反应。
2. 氧化反应 烷烃在空气中燃烧，生成二氧化碳和水，同时放出大量的热。
例如：甲烷在空气中燃烧：CH 4 + 2O 2CO + 2H 2O + 热所以，甲烷是一种很好的气体燃料3、取代反应 烷烃在光照、高温或催化剂的作用下，能与卤素发生反应。
例如，甲烷与氯气在光照下发生反应，反应是分步进行的。
CH 4 + Cl 23Cl HCl 光照+一氯甲烷+ Cl 2CH 3Cl CH 2Cl 2 + HCl 光照二氯甲烷CH 2Cl + Cl 2CHCl 3 + HCl三氯甲烷（氯仿）CHCl 3 + Cl 2CCl 4 + HCl 光照四氯甲烷（四氯化碳）在这几步反应中，甲烷分子中的氢原子逐步被氯原子所替代。
