《基礎化學》本科課件12.第十二章

1、第十二章烷烴目錄第一節(jié)：烷烴的結構、異構和命名第二節(jié)： 烷烴的性質(zhì)學習要求1.了解烷烴的來源、制法與用途。2.了解烷烴的物理性質(zhì)及其變化規(guī)律。3.掌握烷烴的結構、異構和命名方法。4.熟悉烷烴的化學反應類型，掌握其在生產(chǎn)、生活中的實際應用。第1節(jié)烷烴的結構、異構和命名第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的分類烷烴的結構、異構和命名一二烷烴的通式和同系列三一、烷烴的結構、異構和命名 烷烴中最簡單的化合物是甲烷，分子中只含一個碳原子和四個氫原子，分子式為CH4,下面以甲烷為例來討論烷烴的結構。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的分類烷烴的結構、異構和命名一二烷烴的通式和同系列三 實驗測得甲烷分子為正四

2、面體型分子，四個CH鍵完全相同，鍵角為109.5。其他烷烴的結構如正戊烷的碳鏈模型如下： 烷烴分子中的碳原子在成鍵時，一個2s軌道和三個2p軌道進行重新組合，形成4個新的軌道，稱為sp3雜化軌道。這四個雜化軌道完全相同，彼此間夾角為109.5，當它們分別與四個氫原子的1s軌道重疊時，就形成了四個完全等同的C-H鍵，即甲烷分子。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的分類烷烴的結構、異構和命名一二烷烴的通式和同系列三 在其他烷烴分子中，碳原子以sp3雜化軌道彼此之間或與氫原子之間形成鍵。兩個碳原子之間各以一個sp3雜化軌道沿鍵軸方向重疊，形成CC鍵，由于烷烴分子中的碳原子都是正四面體結構，所以除乙烷

3、外，其他烷烴分子中的碳鏈并不是以直線型排列的，而是排布成鋸齒狀，以保持正常的鍵角。如正戊烷的碳鏈模型。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的分類烷烴的結構、異構和命名一二烷烴的通式和同系列三二、烷烴的分類 分子中沒有環(huán)的烷烴稱為鏈烷烴(acyclic alkane)，其通式為CnH2n+2，n為碳原子數(shù)。分子中含有環(huán)狀結構的烷烴叫環(huán)烷烴(cycloalkane)，又稱為脂環(huán)化合物(alicyclic compound)。只含有一個環(huán)的環(huán)烷烴稱為單環(huán)烷烴，單環(huán)烷烴的通式為CnH2n，與單烯烴互為同分異構體。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的分類烷烴的結構、異構和命名一二烷烴的通式和同系列三 環(huán)烷

4、烴按環(huán)的大小，分為小環(huán)：三、四元環(huán);普通環(huán)：五、六、七元環(huán);中環(huán)：八至十一元環(huán);大環(huán)：十二元環(huán)以上。分子中只有一個環(huán)的稱為單環(huán)；兩個環(huán)的稱為雙環(huán)；有三個或以上環(huán)的稱為多環(huán)環(huán)系各以環(huán)上一個碳原子用單鍵直接相連而成的多環(huán)燒烴稱為集合環(huán)烷烴(cycloalkane ring assembly)。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的分類烷烴的結構、異構和命名一二烷烴的通式和同系列三三、烷烴的通式和同系列1.烷烴的通式 在烷烴分子中碳原子和氫原子之間的數(shù)量關系是一定的。從甲烷開始，每增加一個碳原子，碳原子和氫原子之間的數(shù)量關系是CnH2n+2,這個式子就是烷烴的通式，在烷烴中，每兩個相鄰的分子之間，組成

5、上都相差一個碳原子和兩個氫原子，即CH2, CH2叫系差。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的分類烷烴的結構、異構和命名一二烷烴的通式和同系列三2.同系列和同系物 具有相似的結構、相同的通式，組成上相差一個或多個系差的一系列化合物叫做同系列。同系列中各化合物互稱同系物。同系物具有相似的結構，因此一般具有相似的化學性質(zhì)。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五四、烷烴的同分異構現(xiàn)象 烷烴的同分異構現(xiàn)象是由于分子中碳原子的排列方式不同而引起的，所以烷烴的同分異構又叫構造異構。甲烷、乙烷、丙烷分子中的碳原子都只有一種排列方式，所以沒有構造異構體，丁烷分子中有四個碳原子，它們可以

6、有兩種排列方式，所以有兩種異構體：一種是直鏈的，另一種是帶支鏈的。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五 烷烴分子中，隨著碳原子數(shù)目的增加，構造異構體的數(shù)目迅速增加，例如：丁烷有兩種異構體，己烷有五種，辛烷有十八種，二十烷則可達三十六萬多種。烷烴的異構體可以按一定的步驟推導寫出。(1)先寫出最長的碳直鏈，為方便起見，可只寫出碳原子。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五(2)寫出少一個碳原子的直鏈，把這一直鏈作為主鏈，剩余的一個碳原子作為支鏈連在主鏈中可能的位置上。支鏈不能連在端點的碳原子上，因為那樣相當于又接長了主鏈，也不能連在可能出現(xiàn)重復的碳

7、原子上。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五(3)寫出少兩個碳原子的直鏈作為主鏈，把剩余的兩個碳原子作為一個或兩個支鏈連在主鏈中可能的位置上，兩個支鏈可以連在主鏈中不同的碳原子上，也可以連在同一個碳原子上。若碳原子數(shù)目較多，可依次類推。(4)最后補寫上氫原子。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五五、烷烴的命名1.碳原子的類型 在烷烴分子中，由于碳原子所處的位置不同，它們所連接的碳原子數(shù)目也不同。根據(jù)連接碳原子的數(shù)目，可將其分為四類：第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五(1)伯碳原子(也稱一級碳原子)，常用1表示，指僅

8、與一個碳原子直接相連的碳原子。端點上的碳原子一般都是伯碳原子。(2)仲碳原子(也稱二級碳原子)常用2表示，指與兩個碳原子直接相連的碳原子。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五(3)叔碳原子(也稱三級碳原子)常用3表示，指與三個碳原子直接相連的碳原子。(4)季碳原子(也稱四級碳原子)常用4表示，指與四個碳原子直接相連的碳原子。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五2.普通命名法(1)烷烴的普通命名法是根據(jù)分子中碳原子的數(shù)目稱“某烷”。其中碳原子數(shù)目在十以內(nèi)，用天干甲、乙、丙、丁、戊 表示；碳原子數(shù)目在十以上，用中文數(shù)字十一、十二、十三 表示。第一

9、節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五(2)在直鏈烷烴的名稱前加“正”字；在鏈端第二個碳原子上有一個 CH3的烷烴名稱前加“異”字；在鏈端第二個碳原子上有兩個 CH3的烷烴名稱前加“新”字。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五3.系統(tǒng)命名法 系統(tǒng)命名法是一種普遍使用的命名方法，它是采用國際上通用的命名原則，結合我國的文字特點制定出來的命名方法。第一節(jié) 烷烴的結構、異構和命名烷烴的命名烷烴的同分異構現(xiàn)象四五(1)直鏈烷烴的命名同普通命名法稱為“某烷”，只是把“正”去掉。(2)含支鏈烷烴，首先選含取代基最多的最長碳鏈為主鏈，從靠近取代基一端進行編號，按

10、照取代基的位次-相同基的數(shù)目-取代基名稱-母體名稱的順序，寫出烷烴的全稱，阿拉伯數(shù)字之間用“，”隔開，阿拉伯數(shù)字與文字之間用“-”隔開。第2節(jié)烷烴的性質(zhì)第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)一、烷烴的物理性質(zhì) 正烷烴的沸點隨相對分子質(zhì)量的增加而升高，這是因為分子運動所需的能量增大，分子間的接觸面(即相互作用力)也增大。低級烷烴每增加一個CH2，相對分子質(zhì)量變化較大，沸點也相差較大，高級烷烴相差較小，故低級烷烴比較容易分離，髙級烷烴分離困難得多。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì) 在同分異構體中，分子結構不同，分子接觸面積不同，相互作用力也不同，正戊烷沸點36.1 ，2-甲基丁烷沸點25

11、 ，2,2-二甲基丙烷沸點只有9 。叉鏈分子由于叉鏈的位阻作用，其分子不能像正烷烴那樣接近，分子間作用力小，沸點較低。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì) 固體分子的熔點也隨相對分子質(zhì)量增加而升高，這與質(zhì)量大小及分子間作用力有關外，還與分子在晶格中的排列有關，分子對稱性髙，排列比較整齊，分子間吸引力大，熔點就高。在正烷烴中，含單數(shù)碳原子的烷烴其熔點升高較含雙數(shù)碳原子的少。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì) 通過X射線衍射方法分析，固體正烷烴晶體為鋸齒形，在單數(shù)碳原子齒狀鏈中兩端甲基同處在邊，如正戊烷，雙數(shù)碳鏈中兩端甲基不在同一邊，如正己烷，

12、雙數(shù)碳鏈彼此更為靠近，相互作用力大，故熔點升高值較單數(shù)碳鏈升髙值較大一些。 烷烴的密度(density)隨相對分子質(zhì)量增大而增大，這也是分子間相互作用力的結果，密度增加到一定數(shù)值后，相對分子質(zhì)量增加而密度變化很小。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì) 與碳原子數(shù)相等的鏈烷烴相比，環(huán)烷烴的沸點、熔點和密度均要髙一些。這是因為鏈形化合物可以比較自由地搖動，分子間“拉”得不緊，容易揮發(fā)，所以沸點低一些。由于這種搖動，比較難以在晶格內(nèi)做有次序的排列，所以熔點也低一些。由于沒有環(huán)的牽制，鏈形化合物的排列也較環(huán)形化合物松散些，所以密度也低一些。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴

13、的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)二、烷烴的化學性質(zhì) 物質(zhì)的化學性質(zhì)是指物質(zhì)的化學穩(wěn)定性和能夠發(fā)生的化學反應。烷烴分子中的C-C鍵和C-H鍵都是鍵，鍵結合的比較牢固。再加上C-C鍵是非極性鍵，C-H鍵的極性也很小，因此烷烴的化學性質(zhì)很不活潑，特別是直鏈烷烴，具有更大的穩(wěn)定性，在室溫下，它們與大多數(shù)試劑如強酸、強堿、強氧化劑和強還原劑都不發(fā)生反應。所以烷烴是常見的有機溶劑和潤滑劑。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)1.自由基反應(1)碳自由基的定義和結構(2)鍵解離能和碳自由基的穩(wěn)定性(3)自由基反應的共性烷烴的化

14、學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)2.烷烴的鹵化 烷烴中的氫原子被鹵原子取代的反應稱為鹵化反應(halogenation)。鹵化反應包括氟化、氯化、溴化和碘化。烷烴的鹵代通常是指氯代或溴代，因為氟代反應過于激烈，難于控制，而碘代反應又難以發(fā)生。(1)甲烷的氯化(2)甲烷的鹵化(3)其他烷烴的鹵化烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)3.烷烴的熱裂反應 無氧存在時，烷烴在高溫(800 左右)發(fā)生碳碳鍵斷裂，大分子化合物變?yōu)樾》肿踊衔?，這個反應稱為熱裂反應。石油加工后除得到汽油外，還有煤油、柴油等相對分子質(zhì)量較大的烷烴；通過熱裂反應，可以變成汽油、甲烷

15、、乙烷、乙烯及丙烯等小分子的化合物，其過程很復雜，產(chǎn)物也復雜。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì) 熱裂后產(chǎn)生的自由基可以互相結合。熱裂產(chǎn)生的自由基也可以通過碳氫鍵斷裂，產(chǎn)生烯烴。總的結果是大分子烷烴熱裂成分子更小的烷烴、烯烴。這個反應在實驗室內(nèi)較難進行，在工業(yè)上卻非常重要。工業(yè)上熱裂時用烷烴混以水蒸氣在管中通過800左右的加熱裝置，然后冷卻到300400 ，這些都是在不到一秒鐘時間內(nèi)完成的，然后將熱裂產(chǎn)物用冷凍法再一一分離。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)4.烷烴的氧化 在生活中經(jīng)常碰到這樣的現(xiàn)象,人老了皮膚有皺紋，橡膠制品用久了變硬變

16、黏，塑料制品用久了變硬易裂，食用油放久了變質(zhì)，這些現(xiàn)象稱為老化。老化過程很慢，老化的原因首先是空氣中的氧進入具有活潑氫的各種分子而發(fā)生自動氧化反應，繼而再發(fā)生其他反應。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)(1)完全氧化燃燒 所有的烷烴都能燃燒，完全燃燒時,反應物全被破壞，生成二氧化碳和水，同時放出大量熱。(2)控制氧化 如果適當控制反應條件，烷烴也可發(fā)生部分氧化，生成醇、醛、酮和羧酸等有機含氧化合物。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)5.烷烴的硝化 烷烴與硝酸或四氧化二氮進行氣相(400450 )反應，生成硝基化合物(RNO2)。這種直接生

17、成硝基化合物的反應叫做硝化，它在工業(yè)上是一個很重要的反應。它之所以重要是由于硝基烷烴可以轉(zhuǎn)變成多種其他類型的化合物，如胺、羥胺、腈、醇、醛、酮及羧酸等。此外，硝基烷烴可以發(fā)生多種反應，故在近代文獻中有關硝基烷烴的應用的報道日益增多。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)6.烷烴的磺化及氯磺化 烷烴在高溫下與硫酸反應，和與硝酸反應相似，生成烷基磺酸，這種反應叫做磺化。長鏈烷基磺酸的鈉鹽是一種洗滌劑，稱為合成洗滌劑，例如十二烷基磺酸鈉即是其中的一種。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì)三、烷烴的制備 碳氫化合物的主要來源是天然氣和石油。盡管各地的天

18、然氣組分不同，但幾乎都含有75%的甲烷、15%的乙烷及5%的丙烷，其余的為較高級的烷烴。而含烷烴種類最多的是石油，目前的分析結果表明，石油中含有1至50個碳原子的鏈形烷烴及一些環(huán)狀烷烴，而以環(huán)戊烷、環(huán)己烷及其衍生物為主，個別產(chǎn)地的石油中還含有芳香烴。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì) 石油工業(yè)的發(fā)展對于國民經(jīng)濟以及有機化學的發(fā)展都非常重要。石油雖含有豐富的各種烷烴，但這是個復雜混合物，除了C1C6烷烴外，由于其中各組分的相對分子質(zhì)量差別小，沸點相近，要完全分離成極純的烷烴，較為閑難。采用氣相色譜法，雖可有效地予以分離，但這只適用于研究，而不能用于大量生產(chǎn)。烷烴的化學性質(zhì)烷烴的物理性質(zhì)一二烷烴的制備三第二節(jié) 烷烴的性質(zhì) 汽油在內(nèi)燃機中燃燒而發(fā)生爆燃或爆震，這會降低發(fā)動機的功率并會損傷發(fā)動機。燃料引起爆震的傾向，用辛烷值表示，在汽油燃燒范圍內(nèi)，將2,2,4-三甲基戊烷的辛烷值定為100。辛烷值越高，防