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烷

一系列饱和脂肪烃(如甲烷、乙烷等)的任一种 ,此类化合物是构成石油的主要成分。烷即饱和烃,是只有碳碳单键的链烃,是最简单的一类有机化合物。烷烃分子中,氢原子的数目达到最大值。分子中每个碳原子都是sp3杂化。最简单的烷烃是甲烷。

同时,烷也许多元素饱和氢化物的总称。

基本介绍

  • 中文名:烷
  • 外文名: alkane
  • 解释:饱和脂肪烃的一种 
  • 属性:有机物
  • 通式:CnH2n+2
  • 来源:石油
  • 化学性质:氧化反应,卤化反应,裂化反应

作为氢化物后缀及系统命名

单核烷及其命名

“烷”(-ane后缀)实际上并不仅仅指碳元素的饱和氢化物,而是可以指所有母体分子不含不饱和键的分子型氢化物。单核氢化物直接以“元素+烷”命名。
例如:
AlH3——铝烷
(CH3CH2CH2)3B——三丙基硼烷
(CH3CH2)4Pb——四乙基铅烷
分子式
BH3
CH4
SiH4
GeH4
SnH4
PbH4
NH3
PH3
PH5
名称
硼烷
碳烷
硅烷
锗烷
锡烷
铅烷
氮烷
磷烷
λ5-磷烷
分子式
AsH3
AsH5
SbH3
SbH5
BiH3
H2O
H2S
SH4
SH6
名称
砷烷
λ5-砷烷
锑烷
λ5-锑烷
铋烷
氧烷
硫烷
λ4-硫烷
λ6-硫烷
分子式
H2Se
H2Te
H2Po
HF
HCl
HBr
HI
IH3
IH5
名称
硒烷
碲烷
钋烷
氟烷
氯烷
溴烷
碘烷
λ3-碘烷
λ5-碘烷
“甲烷”的使用过于普遍,以至于被误认为是系统命名。但实际上,“碳烷(Carbane)”才是该物质的系统命名。这个名称虽极不常用,但知道其来历很有好处。
有些变价元素的不同氢化物採用同一烷的名称,非标準成键数的氢化物用前缀“λ”以示区别。由上表可知一般饱和烷的命名。
标準成键数:卤族1,氧族2,氮族3,碳族4,硼族3。
例如:
C6H5-SH5——苯基-λ6-硫烷
(C6H5)3PH2——三苯基-λ5-磷烷

直链烷命名

由相应的数字开头,碳烷不引入碳元素词头,非碳烷则必须加入核元素词头。
例如:
H2N-NH2——乙氮烷
HS-SH4-SH——2λ6-丙硫烷
PH2(PH)15PH2——十七磷烷

直链杂烷命名

母体原子被其他原子替代时,命名应附加杂原子相应词头修饰。当烷的骨架链电子被其他杂原子无规则占有时,用杂原子前缀词头修饰原命名,但在计骨架链总电子时应将杂原子数计入。
例如:
SiH3OSiH2O(SiH2)2OSiH2SiH3——2,4,7-三氧杂壬硅烷
若杂原子与主链原子交替出现在链上,且链两端元素相同,则以链段原子为杂原子命名。不必说链原子数。
例如:
SiH3NHSiH3——二硅杂氮烷
NH2(SiH2NH)3SiH2NH2——五氮杂硅烷

烷烃

烷烃中,每个碳原子都是四价的,只有碳碳单键,碳氢单键。採用sp3杂化轨道,与周围的4个碳或氢原子形成牢固的σ键。连线了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。
烷
为了使键的排斥力最小,连线在同一个碳上的四个原子形成四面体。甲烷是标準的正四面体形态,其键角为109°28′。
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。
烷烃还可能发生光学异构现象。当一个碳原子连线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,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-甲基丙烷。

古籍解释

康熙字典
《集韵》胡官切,音完。火也。

套用

由于烷烃的製取成本较高(一般要用烯烃催化加氢),所以在工业上不製取烷烃,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。

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;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着碳数增加而增加。
C1:没有同分异构体: 甲烷
C2:没有同分异构体: 乙烷
C3:两个异构体: 丙烷,环丙烷
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
C12:三百五十五个异构体
C32: 27711253769个异构体
C60: 22158734535770411074184个异构体,其中有很多为非稳定状态。

分布

烷烃是木星大气层的主要成分,
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50个碳原子以上所构成的烷烃。

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%)、土卫六(5%),但在大多星球上,分布较少,如地球、火星、土星等等。

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。

分类与用途

已烷(Hexane)
主要用途:植物性油脂、鱼油、树脂等之萃取溶剂,製造聚烯烃弹性体及药省等反应媒介物,製造胶 带黏着剂、凡立水及车胎等之溶剂。
混合庚烷(Heptane)
主要用途:可做洋乾漆黏着剂之稀释剂或扩展剂及有机合工业之溶剂。通用溶剂(Multi-Purpose Mineral Spirit),除用于酒精变性剂外,其用途为油漆稀释剂、油墨溶剂、胶合溶剂及一般工业用溶剂等。外观:透明液体,无悬浮物。
乾洗油(Stoddard Solvent)
主要用途:溶解力极佳,为纺织品之乾洗溶剂,唯略具味道。具有优良之溶剂特性,印染、杀虫剂除草剂之製造上套用亦广。外观:无色透明液体。
去渍油(Cleaning Naphtha)
主要用途:清除纺织品油渍、清洗机件、皮革脱脂、黏着剂及油墨、油漆之稀释剂。外观:透明液体,无悬浮物。
煤油(Paraffin oil)
主要用途:清洗机件、加热取暖、稻穀烘乾、菸叶烘乾等燃油。
油漆溶剂(VM& P Naphtha)
主要用途:油漆、瓷漆、透明漆、凡立水、油墨、人造皮革、纺织品、防水剂、木材防腐剂及人造树脂等之溶剂、稀薄剂及稀释剂。外观:透明液体,无悬浮物。
油漆溶剂-100、150、200(High-Flash Aromatic Naphtha)
主要用途:高溶解力之溶剂,广用于烤漆、油漆、凡立水等涂料调製,工业上多用作杀x剂、木材防腐剂及人造树脂、纺织品印染剂等之溶剂。外观:透明液体,无悬浮物。
稀释溶剂-170(Petroleum Thinner-170)
主要用途:高溶解力之溶剂,工业上多用作农药稀释调製成乳剂、木材防腐剂及人造树脂、纺织品印染剂等。外观:透明液体,无悬浮物。

烷烃系统命名

现命名法使用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...)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準,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。
正丁烷与异丙烷互为异构正丁烷与异丙烷互为异构

化学性质

烷烃性质很稳定,因为C-H键和C-C双键相对稳定,难以断裂。除了下面三种反应,烷烃几乎不能进行其他反应。
烷烃结构烷烃结构

氧化反应

R + O2 → CO2+ 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 + 2O2 → CO2 + 2H2O
O2供应不足时,反应如下:
CH4 + 3/2 O2 → CO + 2H2O  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幺一回事。

卤化反应

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。
烷烃及结构烷烃及结构
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*。

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)经裂化可得到辛烷和辛烯(C8H18)。 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。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:
烷烃烷烃
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生产乙烯的一种重要方法。

物理性质

常温常压(1大气压)下,(甲烷到丁烷)为气态,5-17之间的(戊烷到十七烷)为液态,18个碳(十八烷)以上为固态。

工业烷类

一、产品名称:石油醚
别名:石油精
英文名字:Petroleum ether,Ligroin,Petroleum benzin,Petroleum spirit,Benzin,Naphtha。
二、产品性状:
无色透明液体。有特殊气味。无萤光。易挥发。能与无水乙醇、苯、氯仿、乙醚、二硫化碳、四氯化碳和油类(蓖麻油除外)混溶,不溶于水。相对密度(d2020)0.625~0.660。沸点30~120℃。闪点-21.7℃。易燃。其蒸气与空气混合灼烧能引起爆炸。
三、质量标準:(GB/T15894-1995)
四、用途:
有机溶剂。萃取剂。医药,农药萃取淋洗,电子元件及光碟清洗,去垢。
五、包装与储运:
包装与储运按SH0164-92《石油产品包装储运及交货验收规则》进行。储存、输转和使用应做到专罐、专线、专车,不行与其它油品混装,绝对禁止混入含四乙基铅的汽油和被黄麴霉污染的物质,盛装容器应乾净。本产品易燃易爆,储运容器应符合安全规定,防止日晒雨淋,保存于阴凉通风、远离火源、有防火措施的地方。
六、危险性质:
按《危险货物品名表》属中闪点易燃液体,编号32002
石油醚的根据馏程来确定其规格的,初馏温度为30摄氏度,终馏温度为60摄氏度的石油醚其规格为30-60,依此类推。

烷烃英文名

甲烷methane
乙烷ethane
丙烷propane
丁烷butane
戊烷pentane
己烷hexane
庚烷heptane
辛烷octane
壬烷nonane
癸烷decane
十一烷undecane
十二烷dodecane
十三烷tridecane
十四烷tetradecane
十五烷pentadecane
十六烷hexadecane
十七烷heptadecane
十八烷octadecane
十九烷nonadecane
二十烷icosane

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