# 烷烃

> 化学 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u13-alkanes/

烷烃是源自原油的最简单饱和烃同系物。本学习指南涵盖了它们的成键、结构、物理性质、燃烧反应和自由基取代反应机理，是CIE A-Level化学的核心内容。

**先修:** [有机化学和同系物导论](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u12-introduction-to-organic-chemistry/); [分子间作用力](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u3-chemical-bonding-intermolecular-forces/)

## 学习目标

- 描述烷烃的通式、结构和成键
- 从分子间作用力的角度解释烷烃物理性质的变化规律
- 写出烷烃完全燃烧和不完全燃烧的配平方程式
- 概述烷烃与卤素发生自由基取代反应的三个阶段

## 结构与成键

**烷烃** — 所有碳原子均形成四个单σ键，碳碳之间不存在多重键的饱和烃。

*记法:* General formula: $C_nH_{2n+2}$ (acyclic)

*例:* 甲烷（$CH_4$）、乙烷（$C_2H_6$）、丙烷（$C_3H_8$）

烷烃中所有碳原子均为$sp^3$杂化，每个碳原子周围为四面体构型，键角约为109.5°。碳碳单键可以自由旋转，因此烷烃链可以呈现多种构象。

**例题:** 写出直链丁烷（含4个碳原子的无环烷烃）的分子式，并画出其结构式。

1. 使用无环烷烃的通式$C_nH_{2n+2}$，代入n=4：
2. $$C_4H_{(2 \times 4) + 2} = C_4H_{10}$$
3. 将4个碳原子用单碳碳键连接，然后添加氢原子使每个碳原子满足四键规则：
4. $$\begin{array}{r} H H H H \\ | | | | \\ H-C-C-C-C-H \\ | | | | \\ H H H H \end{array}$$
5. 最终分子式为$C_4H_{10}$。

> **考试提示:** 记住环烷烃的通式为$C_nH_{2n}$而非$C_nH_{2n+2}$，因为额外的分子内碳碳键使氢原子数减少了2。

## 物理性质

烷烃是非极性分子，因为碳和氢的电负性几乎相同。烷烃分子间仅存在弱的伦敦色散力（瞬时偶极-诱导偶极力）。

沸点随碳链长度增加而升高：更长的碳链具有更大的分子表面积和更高的相对分子质量，因此伦敦色散力更强。对于分子式相同的同分异构体，支化程度越高沸点越低。

**例题:** 将下列$C_5H_{12}$同分异构体按沸点升序排列：戊烷（直链）、2-甲基丁烷（一个支链）、2,2-二甲基丙烷（两个支链）。

1. 三种异构体的相对分子质量相同，因此沸点差异仅由支化程度决定。
2. 支链越多，分子形状越紧凑，分子间相互作用的表面积越小，导致伦敦色散力越弱，沸点越低。
3. 支化程度升序：戊烷 < 2-甲基丁烷 < 2,2-二甲基丙烷
4. 沸点升序的最终排列：
5. $$\text{2,2-dimethylpropane} < \text{2-methylbutane} < \text{pentane}$$

> **tip**
>
> 对于碳原子数相同的烷烃：支链越多 = 沸点越低。这是考试中非常常见的考点。

## 燃烧反应

**完全燃烧** — 烷烃在过量氧气中燃烧，仅生成二氧化碳和水产物。该反应放热极大，因此烷烃被广泛用作燃料。

*例:* $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ (complete combustion of methane)

不完全燃烧发生在氧气不足时。产物除水外还包括有毒的一氧化碳和/或固体炭黑（碳），释放的能量比完全燃烧少。

**例题:** 写出己烷（$C_6H_{14}$）完全燃烧的完整配平方程式。

1. 写出未配平的方程式：
2. $$C_6H_{14} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$$
3. 先配平碳：左侧有6个C，因此右侧有6个$CO_2$：
4. $$C_6H_{14} + O_2 \rightarrow 6CO_2 + H_2O$$
5. 再配平氢：左侧有14个H，因此右侧有7个$H_2O$：
6. $$C_6H_{14} + O_2 \rightarrow 6CO_2 + 7H_2O$$
7. 最后配平氧：右侧共有(6×2)+(7×1) = 19个O原子，因此左侧为$\frac{19}{2} O_2$，然后将所有系数乘以2得到整数：
8. $$2C_6H_{14} + 19O_2 \rightarrow 12CO_2 + 14H_2O$$

> **考试提示:** 考官会扣除含有半整数系数配平方程式的分数。一定要将所有系数乘以整数消去分数。

## 自由基取代反应机理

**自由基** — 带有未成对电子的不带电荷物种，由共价键均裂产生。

烷烃在紫外光下与卤素（氯、溴）发生自由基取代反应，生成卤代烷。该机理分为三个不同阶段：链引发、链增长和链终止。

**例题:** 写出甲烷和氯气通过自由基取代反应生成氯甲烷的关键步骤。

1. 1. 链引发：紫外光提供能量使Cl-Cl键均裂：
2. $$Cl_2 \xrightarrow{UV} 2Cl^{\bullet}$$
3. 2. 链增长（第一步）：氯自由基夺取甲烷中的一个氢原子：
4. $$Cl^{\bullet} + CH_4 \rightarrow CH_3^{\bullet} + HCl$$
5. 3. 链增长（第二步）：甲基自由基与氯分子反应生成氯甲烷，并重新生成氯自由基（链反应）：
6. $$CH_3^{\bullet} + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl^{\bullet}$$
7. 4. 链终止（示例步骤）：两个自由基结合生成稳定分子，终止链反应：
8. $$CH_3^{\bullet} + Cl^{\bullet} \rightarrow CH_3Cl$$

> **info**
>
> 多个链增长步骤会产生混合产物（如二氯甲烷、三氯甲烷），而非仅氯甲烷，这是常见的考点。

## 常见错误

- **错误做法:** 将$C_nH_{2n+2}$用作环烷烃的通式
  - 原因: 环烷烃多一个碳碳键，因此比无环烷烃少两个氢原子
  - 正确做法: 环烷烃使用$C_nH_{2n}$，$C_nH_{2n+2}$仅用于无环烷烃
- **错误做法:** 认为支链烷烃的沸点高于直链同分异构体
  - 原因: 支链烷烃分子形状更紧凑，减少了分子间相互作用的表面积，削弱了伦敦色散力
  - 正确做法: 对于分子式相同的烷烃，支化程度越高沸点越低
- **错误做法:** 在配平的燃烧方程式中保留氧的半整数系数
  - 原因: CIE考官要求整数系数才能给满分
  - 正确做法: 配平C和H后，将所有系数乘以2以消去分数
- **错误做法:** 自由基取代反应的链引发步骤画异裂
  - 原因: 自由基只能由均裂产生，断键后每个原子各得一个电子
  - 正确做法: 使用单头鱼钩箭头表示均裂和单个电子的移动

## 速查表

| 性质 | 核心要点 |
| --- | --- |
| 通式（无环烷烃） | $C_nH_{2n+2}$ |
| 通式（环烷烃） | $C_nH_{2n}$ |
| 分子间作用力 | 仅存在伦敦色散力 |
| 沸点变化规律 | 随碳链长度增加而升高，随支化程度增加而降低 |
| 完全燃烧产物 | $CO_2 + H_2O$ (excess $O_2$) |
| 不完全燃烧产物 | $CO/C + H_2O$ (limited $O_2$) |
| 与卤素的反应 | 自由基取代反应，需要紫外光 |
| 机理阶段 | 链引发 → 链增长 → 链终止 |

## 下一步

烷烃是CIE A-Level有机化学的基础，其反应和性质是后续所有烃化学主题的基石。理解烷烃的结构、物理性质规律和自由基取代反应，将帮助你在后续课程中识别和比较不同有机官能团的其他机理类型。烷烃是选择题和结构化题中都常见的考点，因此掌握配平燃烧方程式、书写机理步骤等核心技能，能帮你在考试中稳定拿到容易的分数。接下来，你将在此基础上学习不饱和烃，它们独特的结构和更活泼的加成反应。

- [烯烃](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u13-alkenes/)
- [卤代烷](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u14-halogenoalkanes/)
- [卤代衍生物与醇](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u14-overview/)

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