烷烃
简介
常见烷烃
烷烃即饱和烃（saturated group)，是只有碳碳单键和碳氢键的链烃，是最简单的一类有机化合物。烷烃分子里的碳原子之间以单键结合成链状(直链或含支链)外，其余化合价全部为氢原子所饱和。烷烃分子中，氢原子的数目达到最大值。
烷烃的通式为CnH2n+2。分子中每个碳原子都是sp3杂化。
最简单的烷烃是甲烷。
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(tetrahedron)。甲烷是标准的正四面体形态，其键角为109°28′（准确值：arccos(-1/3)）。
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，烷烃的熔沸点增加，但相同数目的碳原子，支链越多，熔沸点越低。
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[1]，一般用R-表示。因此烷烃也可以用通式RH来表示。
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2-一甲基丙烷。
现在的命名法使用IUPAC命名法，烷烃的系统命名规则如下：
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、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸)代表碳数，碳数多于十个时，以中文数字命名，如：十一烷。
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。
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。
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 , 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。
同分异构体
同分异构体简称异构体，是具有相同分子式而分子中原子排列顺序和方式不同的化合物。
有机物中的同分异构体分为构造异构和立体异构两大类。
物理性质
子或基团连接的顺序不同的，称为构造异构。在分子中原子的结合顺序相同，而原子或原子团在空间的相对位置不同的，称为立体异构。
构造异构又分为链异构、位置异构和官能团异构。立体异构又分为构型异构和构象异构，而构型异构还分为顺反异构和旋光异构。在高中，我们研究的主要是构造异构。
对于烷烃来说，异构体的数目随着碳原子数目的增加而迅速增加。下表中列出了几种烷烃从理论上讲存在的异构体数目。
碳原子数 | 分子式 | 异构体数目 | 碳原子数 | 分子式 | 异构体数目 |
1 2 3 4 5 6 7 8 | CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 | 1 1 1 2 3 5 9 18 | 9 10 11 12 13 14 15 16 20 | C9H20 C10H22 C11H24 C12H26 C13H28 C14H30 C16H34 C20H42 | 35 75 159 355 802 1858 10359 366319 |
| | | | | |
这些异构体的数目是在20世纪30年代初用数学方法推算出来的。含有1～9个碳原子的烷烃，其实际所得到的异构体的数目与理论推测完全相符，含10个碳原子的烷烃，从理论上推测出来的异构体有一半已经得到，更高级的烷烃只有少数的异构体是已知的。
物理性质
烷烃随着分子中碳原子数的增多，其物理性质发生着规律性的变化：
1.常温下，它们的状态由气态、液态到固态，且无论是气体还是液体，均为无色。一般地，C1~C4气态，C5~C16液态，C17以上固态。
2.它们的熔沸点由低到高。相同数目的碳原子，支链越多，熔沸点越低。
3.烷烃的密度由小到大，但都小于1g/cm^3，即都小于水的密度。
4.烷烃都不溶于水，易溶于有机溶剂。
CH3
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注意：新戊烷（C(CH3)4）（也称2,2-二甲基丙烷）由于支链较多，常温常压下也是气体。
新戊烷结构式
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CH3
化学性质
烷烃性质很稳定，在烷烃的分子里,碳原子之间都以碳碳单键相结合成链关,同甲烷一样,碳原子剩余的价键全部跟氢原子相结合.因为C-H键和C-C单键相对稳定，难以断裂。除了下面三种反应，烷烃几乎不能进行其他反应。(在通常情况下，与强酸.强碱.强氧化剂都不反应）
氧化反应
R + O2 → CO2 + H2O 或 CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2-----------(点燃)---- nCO2 + (n+1) 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：
CH4 + 3/2 O2 → CO + 2 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。
取代反应
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。
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
链增长阶段：一个H原子从甲烷中脱离；CH3Cl开始形成。
CH4 + Cl* → CH3Cl + HCl （慢）
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
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*.
裂化反应
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：
CH3-CH2-CH2-CH3 → CH4 + CH2=CH-CH3
过程中CH3-CH2键断裂，可能性为48%；
CH3-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH3 + CH2=CH2
过程中CH2-CH2键断裂，可能性为38%；
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。
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。
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。
英文命名对照
n Name Formula Alkyl
1 Methane CH4 Methyl
2 Ethane C2H6 Ethyl
3 Propane C3H8 Propyl
4 Butane C4H10 Butyl
5 Pentane C5H12 Pentyl
6 Hexane C6H14 Hexyl
7 Heptane C7H16 Heptyl
8 Octane C8H18 Octyl
9 Nonane C9H20 Nonyl
10 Decane C10H22 Decyl
例如，2,2,4-三甲基戊烷 2，2，4－trimethylpentane
烷烃的主要特征
碳原子数 名称 分子式 熔点（℃） 沸点（℃） 常温下的状态
1 甲烷 CH4 - 183 161 气态
2 乙烷 C2H6 - 184 89 气态
3 丙烷 C3H8 - 188 - 42 气态
4 丁烷 C4H10 - 138 - 0.5 气态
5 戊烷 C5H12 - 130 36 液态
6 己烷 C6H14 - 95 69
7 庚烷 C7H16 - 91 98
8 辛烷 C8H18 - 57 126
9 壬烷 C9H20 - 54 151
10 癸烷 C10H22 - 30 174
11 十一烷 C11H24 26 196
12 十二烷 C12H26 10 216
13 十三烷 C13H28 6 234
