《基础化学》本科课件12.第十二章

1、第十二章烷烃目录第一节：烷烃的结构、异构和命名第二节： 烷烃的性质学习要求1.了解烷烃的来源、制法与用途。2.了解烷烃的物理性质及其变化规律。3.掌握烷烃的结构、异构和命名方法。4.熟悉烷烃的化学反应类型，掌握其在生产、生活中的实际应用。第1节烷烃的结构、异构和命名第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的分类烷烃的结构、异构和命名一二烷烃的通式和同系列三一、烷烃的结构、异构和命名 烷烃中最简单的化合物是甲烷，分子中只含一个碳原子和四个氢原子，分子式为CH4,下面以甲烷为例来讨论烷烃的结构。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的分类烷烃的结构、异构和命名一二烷烃的通式和同系列三 实验测得甲烷分子为正四

2、面体型分子，四个CH键完全相同，键角为109.5。其他烷烃的结构如正戊烷的碳链模型如下： 烷烃分子中的碳原子在成键时，一个2s轨道和三个2p轨道进行重新组合，形成4个新的轨道，称为sp3杂化轨道。这四个杂化轨道完全相同，彼此间夹角为109.5，当它们分别与四个氢原子的1s轨道重叠时，就形成了四个完全等同的C-H键，即甲烷分子。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的分类烷烃的结构、异构和命名一二烷烃的通式和同系列三 在其他烷烃分子中，碳原子以sp3杂化轨道彼此之间或与氢原子之间形成键。两个碳原子之间各以一个sp3杂化轨道沿键轴方向重叠，形成CC键，由于烷烃分子中的碳原子都是正四面体结构，所以除乙烷

3、外，其他烷烃分子中的碳链并不是以直线型排列的，而是排布成锯齿状，以保持正常的键角。如正戊烷的碳链模型。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的分类烷烃的结构、异构和命名一二烷烃的通式和同系列三二、烷烃的分类 分子中没有环的烷烃称为链烷烃(acyclic alkane)，其通式为CnH2n+2，n为碳原子数。分子中含有环状结构的烷烃叫环烷烃(cycloalkane)，又称为脂环化合物(alicyclic compound)。只含有一个环的环烷烃称为单环烷烃，单环烷烃的通式为CnH2n，与单烯烃互为同分异构体。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的分类烷烃的结构、异构和命名一二烷烃的通式和同系列三 环烷

4、烃按环的大小，分为小环：三、四元环;普通环：五、六、七元环;中环：八至十一元环;大环：十二元环以上。分子中只有一个环的称为单环；两个环的称为双环；有三个或以上环的称为多环环系各以环上一个碳原子用单键直接相连而成的多环烧烃称为集合环烷烃(cycloalkane ring assembly)。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的分类烷烃的结构、异构和命名一二烷烃的通式和同系列三三、烷烃的通式和同系列1.烷烃的通式 在烷烃分子中碳原子和氢原子之间的数量关系是一定的。从甲烷开始，每增加一个碳原子，碳原子和氢原子之间的数量关系是CnH2n+2,这个式子就是烷烃的通式，在烷烃中，每两个相邻的分子之间，组成

5、上都相差一个碳原子和两个氢原子，即CH2, CH2叫系差。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的分类烷烃的结构、异构和命名一二烷烃的通式和同系列三2.同系列和同系物 具有相似的结构、相同的通式，组成上相差一个或多个系差的一系列化合物叫做同系列。同系列中各化合物互称同系物。同系物具有相似的结构，因此一般具有相似的化学性质。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五四、烷烃的同分异构现象 烷烃的同分异构现象是由于分子中碳原子的排列方式不同而引起的，所以烷烃的同分异构又叫构造异构。甲烷、乙烷、丙烷分子中的碳原子都只有一种排列方式，所以没有构造异构体，丁烷分子中有四个碳原子，它们可以

6、有两种排列方式，所以有两种异构体：一种是直链的，另一种是带支链的。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五 烷烃分子中，随着碳原子数目的增加，构造异构体的数目迅速增加，例如：丁烷有两种异构体，己烷有五种，辛烷有十八种，二十烷则可达三十六万多种。烷烃的异构体可以按一定的步骤推导写出。(1)先写出最长的碳直链，为方便起见，可只写出碳原子。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五(2)写出少一个碳原子的直链，把这一直链作为主链，剩余的一个碳原子作为支链连在主链中可能的位置上。支链不能连在端点的碳原子上，因为那样相当于又接长了主链，也不能连在可能出现重复的碳

7、原子上。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五(3)写出少两个碳原子的直链作为主链，把剩余的两个碳原子作为一个或两个支链连在主链中可能的位置上，两个支链可以连在主链中不同的碳原子上，也可以连在同一个碳原子上。若碳原子数目较多，可依次类推。(4)最后补写上氢原子。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五五、烷烃的命名1.碳原子的类型 在烷烃分子中，由于碳原子所处的位置不同，它们所连接的碳原子数目也不同。根据连接碳原子的数目，可将其分为四类：第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五(1)伯碳原子(也称一级碳原子)，常用1表示，指仅

8、与一个碳原子直接相连的碳原子。端点上的碳原子一般都是伯碳原子。(2)仲碳原子(也称二级碳原子)常用2表示，指与两个碳原子直接相连的碳原子。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五(3)叔碳原子(也称三级碳原子)常用3表示，指与三个碳原子直接相连的碳原子。(4)季碳原子(也称四级碳原子)常用4表示，指与四个碳原子直接相连的碳原子。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五2.普通命名法(1)烷烃的普通命名法是根据分子中碳原子的数目称“某烷”。其中碳原子数目在十以内，用天干甲、乙、丙、丁、戊 表示；碳原子数目在十以上，用中文数字十一、十二、十三 表示。第一

9、节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五(2)在直链烷烃的名称前加“正”字；在链端第二个碳原子上有一个 CH3的烷烃名称前加“异”字；在链端第二个碳原子上有两个 CH3的烷烃名称前加“新”字。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五3.系统命名法 系统命名法是一种普遍使用的命名方法，它是采用国际上通用的命名原则，结合我国的文字特点制定出来的命名方法。第一节 烷烃的结构、异构和命名烷烃的命名烷烃的同分异构现象四五(1)直链烷烃的命名同普通命名法称为“某烷”，只是把“正”去掉。(2)含支链烷烃，首先选含取代基最多的最长碳链为主链，从靠近取代基一端进行编号，按

10、照取代基的位次-相同基的数目-取代基名称-母体名称的顺序，写出烷烃的全称，阿拉伯数字之间用“，”隔开，阿拉伯数字与文字之间用“-”隔开。第2节烷烃的性质第二节 烷烃的性质一、烷烃的物理性质 正烷烃的沸点随相对分子质量的增加而升高，这是因为分子运动所需的能量增大，分子间的接触面(即相互作用力)也增大。低级烷烃每增加一个CH2，相对分子质量变化较大，沸点也相差较大，高级烷烃相差较小，故低级烷烃比较容易分离，髙级烷烃分离困难得多。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质 在同分异构体中，分子结构不同，分子接触面积不同，相互作用力也不同，正戊烷沸点36.1 ，2-甲基丁烷沸点25

11、 ，2,2-二甲基丙烷沸点只有9 。叉链分子由于叉链的位阻作用，其分子不能像正烷烃那样接近，分子间作用力小，沸点较低。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质 固体分子的熔点也随相对分子质量增加而升高，这与质量大小及分子间作用力有关外，还与分子在晶格中的排列有关，分子对称性髙，排列比较整齐，分子间吸引力大，熔点就高。在正烷烃中，含单数碳原子的烷烃其熔点升高较含双数碳原子的少。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质 通过X射线衍射方法分析，固体正烷烃晶体为锯齿形，在单数碳原子齿状链中两端甲基同处在边，如正戊烷，双数碳链中两端甲基不在同一边，如正己烷，

12、双数碳链彼此更为靠近，相互作用力大，故熔点升高值较单数碳链升髙值较大一些。 烷烃的密度(density)随相对分子质量增大而增大，这也是分子间相互作用力的结果，密度增加到一定数值后，相对分子质量增加而密度变化很小。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质 与碳原子数相等的链烷烃相比，环烷烃的沸点、熔点和密度均要髙一些。这是因为链形化合物可以比较自由地摇动，分子间“拉”得不紧，容易挥发，所以沸点低一些。由于这种摇动，比较难以在晶格内做有次序的排列，所以熔点也低一些。由于没有环的牵制，链形化合物的排列也较环形化合物松散些，所以密度也低一些。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃

13、的制备三第二节 烷烃的性质烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质二、烷烃的化学性质 物质的化学性质是指物质的化学稳定性和能够发生的化学反应。烷烃分子中的C-C键和C-H键都是键，键结合的比较牢固。再加上C-C键是非极性键，C-H键的极性也很小，因此烷烃的化学性质很不活泼，特别是直链烷烃，具有更大的稳定性，在室温下，它们与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂和强还原剂都不发生反应。所以烷烃是常见的有机溶剂和润滑剂。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质1.自由基反应(1)碳自由基的定义和结构(2)键解离能和碳自由基的稳定性(3)自由基反应的共性烷烃的化

14、学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质2.烷烃的卤化 烷烃中的氢原子被卤原子取代的反应称为卤化反应(halogenation)。卤化反应包括氟化、氯化、溴化和碘化。烷烃的卤代通常是指氯代或溴代，因为氟代反应过于激烈，难于控制，而碘代反应又难以发生。(1)甲烷的氯化(2)甲烷的卤化(3)其他烷烃的卤化烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质3.烷烃的热裂反应 无氧存在时，烷烃在高温(800 左右)发生碳碳键断裂，大分子化合物变为小分子化合物，这个反应称为热裂反应。石油加工后除得到汽油外，还有煤油、柴油等相对分子质量较大的烷烃；通过热裂反应，可以变成汽油、甲烷

15、、乙烷、乙烯及丙烯等小分子的化合物，其过程很复杂，产物也复杂。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质 热裂后产生的自由基可以互相结合。热裂产生的自由基也可以通过碳氢键断裂，产生烯烃。总的结果是大分子烷烃热裂成分子更小的烷烃、烯烃。这个反应在实验室内较难进行，在工业上却非常重要。工业上热裂时用烷烃混以水蒸气在管中通过800左右的加热装置，然后冷却到300400 ，这些都是在不到一秒钟时间内完成的，然后将热裂产物用冷冻法再一一分离。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质4.烷烃的氧化 在生活中经常碰到这样的现象,人老了皮肤有皱纹，橡胶制品用久了变硬变

16、黏，塑料制品用久了变硬易裂，食用油放久了变质，这些现象称为老化。老化过程很慢，老化的原因首先是空气中的氧进入具有活泼氢的各种分子而发生自动氧化反应，继而再发生其他反应。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质(1)完全氧化燃烧 所有的烷烃都能燃烧，完全燃烧时,反应物全被破坏，生成二氧化碳和水，同时放出大量热。(2)控制氧化 如果适当控制反应条件，烷烃也可发生部分氧化，生成醇、醛、酮和羧酸等有机含氧化合物。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质5.烷烃的硝化 烷烃与硝酸或四氧化二氮进行气相(400450 )反应，生成硝基化合物(RNO2)。这种直接生

17、成硝基化合物的反应叫做硝化，它在工业上是一个很重要的反应。它之所以重要是由于硝基烷烃可以转变成多种其他类型的化合物，如胺、羟胺、腈、醇、醛、酮及羧酸等。此外，硝基烷烃可以发生多种反应，故在近代文献中有关硝基烷烃的应用的报道日益增多。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质6.烷烃的磺化及氯磺化 烷烃在高温下与硫酸反应，和与硝酸反应相似，生成烷基磺酸，这种反应叫做磺化。长链烷基磺酸的钠盐是一种洗涤剂，称为合成洗涤剂，例如十二烷基磺酸钠即是其中的一种。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质三、烷烃的制备 碳氢化合物的主要来源是天然气和石油。尽管各地的天

18、然气组分不同，但几乎都含有75%的甲烷、15%的乙烷及5%的丙烷，其余的为较高级的烷烃。而含烷烃种类最多的是石油，目前的分析结果表明，石油中含有1至50个碳原子的链形烷烃及一些环状烷烃，而以环戊烷、环己烷及其衍生物为主，个别产地的石油中还含有芳香烃。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质 石油工业的发展对于国民经济以及有机化学的发展都非常重要。石油虽含有丰富的各种烷烃，但这是个复杂混合物，除了C1C6烷烃外，由于其中各组分的相对分子质量差别小，沸点相近，要完全分离成极纯的烷烃，较为闲难。采用气相色谱法，虽可有效地予以分离，但这只适用于研究，而不能用于大量生产。烷烃的化学性质烷烃的物理性质一二烷烃的制备三第二节 烷烃的性质 汽油在内燃机中燃烧而发生爆燃或爆震，这会降低发动机的功率并会损伤发动机。燃料引起爆震的倾向，用辛烷值表示，在汽油燃烧范围内，将2,2,4-三甲基戊烷的辛烷值定为100。辛烷值越高，防