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第二章烷烃和环烷烃由碳和氢两种元素组成的化合物叫做碳氢化合物，简称为烃。根据分子中碳原子间的连接方式不同，烃类化合物可分为脂肪烃和芳香烃两大类。脂肪烃又可以分为饱和烃和不饱和烃，烷烃和环烷烃都是饱和烃。第一节烷烃烷烃：分子中的碳原子以单键相互连接，其余价键与氢原子结合的链烃叫做烷烃，烷烃又称为饱和烃。在烷烃分子中，与碳原子结合的氢原子数目达到了最大值，故称饱和烃。碳原子互相连接成“链状”的碳氢化合物成为链烃，也叫脂肪烃。烷烃是饱和链烃。一、烷烃的同系列通式CnH2n+2，相邻两个烷烃的组成相差CH2，称为系列化。这个CH2基团叫做系差。同系列：像烷烃那样，具有同一个通式，结构相似，化学性质相似，物理性质随着碳原子数的增加而有规律地变化的化合物系列，称为同系列。同系列中的各种化合物称之为同系物。二烷烃的同分异构从丁烷开始有同分异构体：HCCHHCHHCHHHHHHCCHHCHCHHHHHH正丁烷异丁烷CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH3CH3CH(CH3)2同分异构体的推导：1写出最长链：CCCCCC（1）2写出少一个碳原子的直链，把一个碳当支链，找出可能的异构体CCCCCCCCCCCC（2）（3）3写出少二个碳原子的直链，把二个碳当两个支链，或一个支链，找出可能的异构体CCCCCCCCCCCC（4）（5）三伯、仲、叔和季碳原子伯碳原子：一级碳原子，1，与一个碳原子（三个氢原子）相连的碳原子。仲碳原子：二级碳原子，2，与二个碳原子（二个氢原子）相连的碳原子。叔碳原子：三级碳原子，3，与三个碳原子（一个氢原子）相连的碳原子。季碳原子：四级碳原子，4，与四个碳原子相连的碳原子。分别与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子称为伯氢原子、仲氢原子、叔氢原子。碳原子的SP3杂化1.杂化轨道：碳原子在成键时，能量相同或相近的原子轨道，可以重新组合成新的轨道，叫做杂化轨道。2.甲烷的正四面体构型甲烷为正四面体构型，碳原子处于正四面体的中心，与碳原子相连的四个氢原子位于正四面体的四个顶点，四个碳氢键完全相同，键长为0.110nm，彼此间的键角为109.5°。甲烷的正四面体构型如图2-1所示。图2-1甲烷的正四面体构型碳原子的sp3杂化轨如下图所示：四个完全等同的sp3杂化轨道以正四面体形对称地排布在碳原子的周围，它们的对称轴之间的夹角为109.5°。sp3杂化轨道的形状、分布如图2-2所示。图2-2碳原子的sp3杂化轨道σ键的形成及其特点1.σ键：像甲烷分子中的碳氢键这样，成键原子沿键轴方向重叠（也称为“头碰头”重叠）形成的共价键叫做σ键。2.σ键的特点：轨道重叠程度大，键比较牢固；成键电子云呈圆柱形对称分布在键轴周围，成键两原子可以绕键轴相对自由旋转。三、烷烃的命名普通命名法根据烷烃分子中碳原子的数目命名为“正（或异、新）某烷”。其中“某”字代表碳原子数目，其表示方法为：含碳原子数目为C1～C10的用天干名称甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸来表示；含十个以上碳原子时，用中文数字“十一、十二、……”来表示。直链的称为正某烷，碳链一端带有两个甲基的称为异某烷，有季碳原子的称新某烷，如：CH3CHCH3CH3异丁烷CH3CHCH2CH3CH3CH3新庚烷烷基1某基：甲基CH3-Me乙基CH3CH2-Et丙基CH3CH2CH2-n-Pr丁基CH3CH2CH2CH2-n-Bu异某基:异丙基(CH3)2CH-i-Pr异丁基(CH3)2CHCH2-i-Bu仲某基:仲丁基CH3CH2CHCH3s-Bu叔某基:叔丁基(CH3)3C-t-Bu叔戊基CH3CH2CCH3CH35新某基:新戊基CH3CHCH2CH3CH3三、系统命名法⑴直链烷烃的命名直链烷烃的系统命名法与习惯命名法基本一致，只是把“正”字去掉。例如：十一烷⑵支链烷烃的命名支链烷烃的命名是将其看作直链烷烃的烷基衍生物，即将直链作为母体，支链作为取代基，命名原则如下：①选母体（或主链）选择分子中最长的碳链作为母体，若有两条或两条以上等长碳链时，应选择支链最多的一条为母体，根据母体所含碳原子数目称“某烷”。②给母体碳原子编号为标明支链在母体中的位置，编号应遵循“最低系列”原则。③写出名称按照取代基的位次（用阿拉伯数字表示）、相同取代基的数目取代基的名称、母体名称的顺序写出名称。烷基大小顺序CHHHCH3CHHCH3CHHCHHCH3CHCH3CHHCH3CHCH3CH3CCH3CH3支链上还有取代基时，用括号中的数字或带撇数字来标明：例：CH3CH2CH2CH2CH2CCH2CH2CHCH3CCH3CH3CH3CH2CCH3CH3CH3CH2CH32-甲基-5，5-二（1，1-二甲基丙基）癸烷2-甲基-5，5-二-1’，1’-二甲基丙基癸烷四、烷烃的构象异构1、乙烷的构象透视式：HHHHHHHHHHHH交叉式重叠式纽曼式：（Newman式）HHHHHHHHHHHH交叉式重叠式两种构象式能量差为12.5kJ/mol2、正丁烷的构象HCH3HHHCH3HCH3HCH3HHCH3HHHHCH3CH3HHCH3HH对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全重叠式在丁烷的四种典型构象中，原子或集团特别是两个体积较大的甲基，相距越远，斥力越小，内能越低，越稳定。因此，它们的稳定顺序为：对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全部重叠式。室温时，在丁烷的各种构象的平衡混合物中，最稳定的对位交叉式构象约占63%，邻位交叉式约占37%，其余构象含量极少。五、烷烃的物理性质1、物态常温常压下，四个碳原子以内的烷烃、烯烃、炔烃和环烷烃为气体；C5～C16的烷烃、C5～C18的烯烃、C5～C17的炔烃、C5～C11的环烷烃为液体；高级烷烃、烯烃、炔烃和环烷烃为固体。2、沸点（b.p.）由色散力决定：随碳原子数增加而升高；正烷烃的沸点高于它的异构体同系列的烃化合物的沸点随分子中碳原子数的增加而升高。这是因为随着分子中碳原子数目的增加，相对分子质量增大，分子间的范德华引力增强，若要使其沸腾汽化，就需要提供更多的能量，所以同系物相对分子质量越大，沸点越高。3、熔点（m.p.）同系列的烃化合物的熔点基本上也是随分子中碳原子数目的增加而升高。对于烷烃，C3以下的变化不规则，自C4开始随着碳原子数目的增加而逐渐升高，其中含偶数碳原子烷烃的熔点比相邻含奇数碳原子烷烃的熔点升高多一些。这种变化趋势称为锯齿形上升。4、相对密度分子间引力决定:随碳原子数增加而增大，同系列的烃化合物，随分子中碳原子数目增加而逐渐增大。其相对密度都小于1，比水轻。5、折射率折射率是液体有机化合物纯度的标志。各脂烃同系列中，同系物的折射率随分子中碳原子数目的增加而缓慢加大。6、溶解性根据“相似相溶”的经验规则，脂烃分子没有极性或极性很弱，因此难溶于水，易溶于有机溶剂。六、烷烃的化学性质1、氧化反应1）．燃烧2）．氧化异构化反应3）裂化反应CH3CHCH2HH460oCCH3CHCH2+H2CH3CH2CH2HCo460H2CCH2+CH42．卤代反应卤代反应:烷烃的氢原子可被卤素取代,生成卤代烃,并放出卤化氢.CH+X2CX+HX烷烃能与卤素在高温或光照条件下发生取代反应。X2的反应活性为F2Cl2Br2I2，其中氟代反应太剧烈，难以控制；而碘代反应太慢，难以进行，实际上广为应用的是氯代和溴代反应。例如：烷烃的卤代反应一般难以停留在一取代阶段，通常得到各卤代烃的混合物。例如甲烷的氯代：3．自由基取代反应机理卤代反应均属于自由基取代反应。自由基取代反应是通过共价键的均裂生成自由基而进行的链反应。它包括链引发、链增长和链终止三个阶段。可以用下面的式子表示：例：甲烷氯代反应机理七、重要的烷烃1、甲烷石油气、天然气、和沼气的主要成分，可作为热源和作为化工原料。完全燃烧：CH4+2O2CO2+2H2O+878.6kJ/mol不完全燃烧：2、石油醚石油醚是轻质石油产品的一种，主要是戊烷和己烷等低分子量烃类的混合物。常温下为无色澄清的液体，有类似乙醚的气温，故称石油醚。石油醚不溶于水，而溶于大多数有机溶剂，它能溶解油和脂肪。相对密度为0.6~0.66，沸点范围为30~90℃。石油醚由天然石油或人造石油经分馏而得到，其主要用作有机溶剂。石油醚容易挥发和着火，使用时应注意。3、凡士林凡士林是18~22个碳原子烷烃的混合物，呈软膏状半固体，不溶于水，溶于醚和石油醚。化学性质稳定，不被皮肤吸收，不易于软膏中的药物起变化，所以在医药上常用作软膏基础。4、石蜡石蜡为白色蜡状固体，是C16~C35的正烷烃的混合物。在医药上用于蜡疗、调节软膏的硬度、中成药的密封材料等，也是制造蜡烛的原料。H2O+CO2+CH42