烷烃

圖中為最簡單的烷烴類--甲烷(CH₄)。此化合物僅由碳和氫組成，並且全由單鍵連接，符合烷烴類的特色。^[1]

烷烃（拼音：wántīng；英文：Alkane），又稱石蜡烃^[2]^[3]，是碳氫化合物下的一種飽和烴，其整體構造大多僅由碳、氫、碳－碳單鍵與碳氫單鍵所構成^[4]，同時也是最簡單的一種有機化合物，而其下又可細分出链烷烃與環烷烴^[5]。其名「烷」（Wán、ㄨㄢˊ^[6]）是化學家取「碳」右下角之火，加上「完」以造出的字。「碳」表示其結構中含有碳，而「完」表示其分子結構中碳原子化合價完足的意思^[7]。

性質概論 [编辑]

烷類皆難溶於水，在完全燃燒下可轉化為二氧化碳和水^[8]，反應式如下：

$\rm C_mH_n+(m+n/4)O_2 \ \xrightarrow \ mCO_2+(n/2)H_2O$

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。^[8] 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（ $C_5H_{12}$ ）^[9]：

IUPAC命名	普通命名	熔點	沸點
戊烷	正戊烷	-130℃^[10]	36℃^[10]
2-甲基丁烷	异戊烷	-160℃^[11]	27.85℃^[11]
2,2-二甲基丙烷	新戊烷	-19.5℃^[12]	9.5℃^[12]

物理性质 [编辑]

人工合成的正十二面體烷C₂₀H₂₀

烷烴有許多物理性質：

密度皆小於一。
不溶于水，但溶于有机溶剂。
熔点與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（甲烷到丁烷）为气态，5-17之间的烷類（戊烷到十七烷）为液态，18个碳（十八烷）以上的烷類为固态。^[13]

烷烴	公式	沸點 [°C]	熔點 [°C]	20 °C下的狀態	密度 [g·cm³]
甲烷	CH₄	-162	-182.5	氣體	---
乙烷	C₂H₆	-89	-182.8	氣體	---
丙烷	C₃H₈	-42	-188	氣體	---
丁烷	C₄H₁₀	0	-138	氣體	---
戊烷	C₅H₁₂	36	-130	液體	0.626
正己烷	C₆H₁₄	69	-95	液體	0.659
庚烷	C₇H₁₆	98	-91	液體	0.684
辛烷	C₈H₁₈	126	-57	液體	0.703
壬烷	C₉H₂₀	151	-54	液體	0.718
癸烷	C₁₀H₂₂	174	-30	液體	0.730
十一烷	C₁₁H₂₄	196	-26	液體	0.740
十二烷	C₁₂H₂₆	216	-10	液體	0.749
二十烷	C₂₀H₄₂	343	37	固體	---
三十烷	C₃₀H₆₂	450	66	固體	---
四十烷	C₄₀H₈₂	525	82	固體	---
五十烷	C₅₀H₁₀₂	575	91	固體	---

化学性质 [编辑]

在正常情況下，烷烃性质很稳定，因为碳－氫键和碳－碳键相对稳定，难以断裂^[14] 、以及烷烴不會搶奪官能團，所以不容易發生反應，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 $\arccos\left(-{1 \over 3}\right)$ 即109.5度，导致其容易發生反应。

燃燒反应 [编辑]

反應通式： $R + O_2 \ \xrightarrow \ CO_2 + H_2O$ ^[15]
所有的烷烃都能燃烧，而且反应放热极多。^[16] 烷烃完全燃烧生成CO₂和H₂O^[8]。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）。^[17]

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 [编辑]

反應通式： $R + X_2 \ \xrightarrow \ RX + HX$ ^[18]
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* → CH₃⁺ + HCl （慢）
- CH₃⁺ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl*
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*.^[19]

裂解反应 [编辑]

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%。^[19]

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 [编辑]

主条目：IUPAC命名法

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。^[20]

鏈烷烴 [编辑]

化學通式： $C_nH_{2n+2}$ ^[21]
鏈烷烴的命名步驟為：

找出最長的碳鏈當主鏈，依碳數命名主鏈，前十個以天干^[22] 代表碳數，碳數多於十個時，以中文數字命名，如：十一烷。
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。
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。
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^[23]。如例己烷命名方式：

普通命名	IUPAC命名	结构简式	结构式
己烷、正己烷	己烷	CH₃(CH₂)₄CH₃	^[24]
异己烷	2-甲基戊烷	(CH₃)₂CH(CH₂)₂CH₃	^[25]
新己烷	2,2-二甲基丁烷	CH₃C(CH₃)₂CH₂CH₃	^[26]

環烷烴 [编辑]

化學通式： $C_nH_{2(n+1-g)}$ ^[27]
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。如例環丙烷：

環丙烷，化學式為C₃H₆^[28]

具多環的環烷烴的命名法 [编辑]

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」。

结构 [编辑]

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，其键角为 $arccos(-{1 \over 3})$ ），大約等於109°28′。^[29]
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

異構體 [编辑]

不同的四碳烴類（從左到右）：正丁烷和异丁烷為同分異構體，化學式皆為C₄H₁₀^[30]；環丁烷和异丁烯為同分異構體，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中的数列A000602）^[31]。

C₁：沒有同素異構體：甲烷
C₂：沒有同素異構體：乙烷
C₃：沒有同素異構體：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
C₁₂：三百五十五個異構體
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。^[32]

分佈 [编辑]

烷烴是木星大氣層的主要成分^[33]

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50個碳原子以上所構成的烷烴^[34]。

太陽系的分布 [编辑]

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%）^[35]、土衛六（5%）^[36]，但在大多星球上，分布較少，如地球、火星、土星等等^[37]。

地球上的分布 [编辑]

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。^[38]

應用 [编辑]

工業上的應用 [编辑]

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℃－400℃	燃料

C₂₀以上的馏分成分是重油，再经减压蒸馏能得到润滑油、沥青等物质。^[39]

其他 [编辑]

异辛烷與庚烷是汽油抗爆震度的一个标准，其辛烷值定为100與0。^[40]^[41]

參看 [编辑]

维基共享资源中相关的多媒体资源：Alkane

有機化學主題首頁

注釋與參考資料 [编辑]

^ 国二下自然与生活科技（康軒版）, 第四冊. 第四章. 有機化合物.. [2011-10-04].
^ 化工词典上的烷烴. ChemYQ.com. [2011-10-04].
^ 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].
^ http://chem188.cn/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=3409，其中亦有可能出現鹵素，因為其價數和氫原子相同，為+1，所以可以取代氫原子。
^ 分類
^ http://www.zdic.net/zd/zi/ZdicE7Zdic83ZdicB7.htm
^ http://dict.revised.moe.edu.tw/cgi-bin/newDict/dict.sh?cond=%D6J&pieceLen=50&fld=1&cat=&ukey=1359251432&serial=2&recNo=7&op=f&imgFont=1
^ ^8.0 ^8.1 ^8.2 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.
^ [1]
^ ^10.0 ^10.1 http://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_CN_CB6288989.htm
^ ^11.0 ^11.1 http://www.chemicalbook.com/ProductChemicalPropertiesCB5854378.htm
^ ^12.0 ^12.1 http://www.chemicalbook.com/ProductMSDSDetailCB0703130.htm
^ 參考資料
^ 冀政勤、毛翰梅. 有機化學. 台北市: 五南. 2001/2/22. ISBN 957-11-2276-9.
^ R即為烷烴
^ http://content.edu.tw/senior/chemistry/tp_sc/new/14/2.htm
^ http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=28419
^ X即為鹵素
^ ^19.0 ^19.1 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
^ 參考自IUPAC命名法
^ Silderberg, 623
^ 甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸
^ Panico, R.; & Powell, W. H. (Eds.). A Guide to IUPAC Nomenclature of Organic Compounds 1993. Oxford: Blackwell Science. 1994. ISBN 0-632-03488-2.
^ http://www.chemyq.com/xz/xz3/26801vrqct.htm
^ http://www.chemyq.com/xz/xz2/18788ihnsq.htm
^ http://www.chemblink.com/products/75-83-2C.htm
^ n為碳原子數，g為環的數量。
^ Merck Index, 11th Edition, 2755.
^ http://www.hxzxs.cn/html/3018.html
^ Bond dissociation energies: Senosiain, J. P.; Han, J. H.; Musgrave, C. B.; Golden, D. M. Faraday Discussions (2001), vol. 119, 173-189
^ http://content.edu.tw/senior/chemistry/tp_sc/content1/number4/1/13-4.htm#二、異構物
^ Meierhenrich, U.. Amino Acids and the Asymmetry of Life. Springer. 2008 [18 October 2008]. ISBN 978-3-540-76885-2.
^ 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.
^ http://www.chinabaike.com/dir/gjcd/gjhycd/1181879.html
^ http://news.xinhuanet.com/ziliao/2006-08/21/content_4988813.htm
^ http://www.natureasia.com/taiwan/nature/updates/index.php?i=5857&issue=7080
^ 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].
^ http://210.60.226.25/science/content/1986/00110203/0010.htm
^ [2]
^ Petroleum and Coal
^ http://www.iupac.org/publications/pac/1983/pdf/5502x0199.pdf

[firstdef-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.. [2011-10-04].

[waxting-2] 化工词典上的烷烴. ChemYQ.com. [2011-10-04].

[ASDFES-3] 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].

[note1-4] ttp://chem188.cn/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=3409，其中亦有可能出現鹵素，因為其價數和氫原子相同，為+1，所以可以取代氫原子。

[5] 分類

[spelling-6] ttp://www.zdic.net/zd/zi/ZdicE7Zdic83ZdicB7.htm

[themeaningofwan-7] ttp://dict.revised.moe.edu.tw/cgi-bin/newDict/dict.sh?cond=%D6J&pieceLen=50&fld=1&cat=&ukey=1359251432&serial=2&recNo=7&op=f&imgFont=1

[P.3Dhd-8] 8.0 ^8.1 ^8.2 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.

[1.2F2gt2-9] [1]

[BP1-10] 10.0 ^10.1 http://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_CN_CB6288989.htm

[BP2-11] 11.0 ^11.1 http://www.chemicalbook.com/ProductChemicalPropertiesCB5854378.htm

[BP3-12] 12.0 ^12.1 http://www.chemicalbook.com/ProductMSDSDetailCB0703130.htm

[D-13] 參考資料

[14] 冀政勤、毛翰梅. 有機化學. 台北市: 五南. 2001/2/22. ISBN 957-11-2276-9.

[15] R即為烷烴

[noname-16] ttp://content.edu.tw/senior/chemistry/tp_sc/new/14/2.htm

[bigref-17] ttp://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=28419

[18] X即為鹵素

[powerpoint-19] 19.0 ^19.1 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

[20] 參考自IUPAC命名法

[21] Silderberg, 623

[22] 甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸

[pqh.2F4pi-23] Panico, R.; & Powell, W. H. (Eds.). A Guide to IUPAC Nomenclature of Organic Compounds 1993. Oxford: Blackwell Science. 1994. ISBN 0-632-03488-2.

[C6H14main-24] ttp://www.chemyq.com/xz/xz3/26801vrqct.htm

[C6H14different-25] ttp://www.chemyq.com/xz/xz2/18788ihnsq.htm

[C6H14new-26] ttp://www.chemblink.com/products/75-83-2C.htm

[27] 為碳原子數，g為環的數量。

[28] Merck Index, 11th Edition, 2755.

[serwre-29] ttp://www.hxzxs.cn/html/3018.html

[30] Bond dissociation energies: Senosiain, J. P.; Han, J. H.; Musgrave, C. B.; Golden, D. M. Faraday Discussions (2001), vol. 119, 173-189

[dif.-31] ttp://content.edu.tw/senior/chemistry/tp_sc/content1/number4/1/13-4.htm#二、異構物

[32] Meierhenrich, U.. Amino Acids and the Asymmetry of Life. Springer. 2008 [18 October 2008]. ISBN 978-3-540-76885-2.

[33] 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.

[asdf-34] ttp://www.chinabaike.com/dir/gjcd/gjhycd/1181879.html

[abcdefg-35] ttp://news.xinhuanet.com/ziliao/2006-08/21/content_4988813.htm

[5.25-36] ttp://www.natureasia.com/taiwan/nature/updates/index.php?i=5857&issue=7080

[37] 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].

[C222224165-38] ttp://210.60.226.25/science/content/1986/00110203/0010.htm

[xxxxx-39] [2]

[40] Petroleum and Coal

[41] ttp://www.iupac.org/publications/pac/1983/pdf/5502x0199.pdf

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]

[35]

[36]

[37]

[38]

[39]

[40]

[41]

烷烃

目录