烷烃

化学· 第13单元：烃，子主题1：烷烃· 20 分钟阅读

1. 结构与成键★☆☆☆☆⏱ 5 min

📘 定义

烷烃

General formula: $C_{n} H_{2 n + 2}$ (acyclic)

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。

例:

甲烷（ $C H_{4}$ ）、乙烷（ $C_{2} H_{6}$ ）、丙烷（ $C_{3} H_{8}$ ）

烷烃中所有碳原子均为 $s p^{3}$ 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 $C_{n} H_{2 n + 2}$ ，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 $C_{4} H_{10}$ 。

Exam tip:

记住环烷烃的通式为 $C_{n} H_{2 n}$ 而非 $C_{n} H_{2 n + 2}$ ，因为额外的分子内碳碳键使氢原子数减少了2。

2. 物理性质★★☆☆☆⏱ 5 min

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 $C_{5} H_{12}$ 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
$\text{2,2-dimethylpropane} < \text{2-methylbutane} < \text{pentane}$

3. 燃烧反应★★☆☆☆⏱ 6 min

📘 定义

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:

$C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$ (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（ $C_{6} H_{14}$ ）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 $C O_{2}$ ：
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 $H_{2} O$ ：
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
$2C_6H_{14} + 19O_2 \rightarrow 12CO_2 + 14H_2O$

Exam tip:

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。

4. 自由基取代反应机理★★★☆☆⏱ 7 min

📘 定义

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
1. 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
1. 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
1. 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
$CH_3^{\bullet} + Cl^{\bullet} \rightarrow CH_3Cl$

5. 常见陷阱

错误做法:

将 $C_{n} H_{2 n + 2}$ 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 $C_{n} H_{2 n}$ ， $C_{n} H_{2 n + 2}$ 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

6. 速查表

性质	核心要点
通式（无环烷烃）	$C_{n} H_{2 n + 2}$
通式（环烷烃）	$C_{n} H_{2 n}$
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	$C O_{2} + H_{2} O$ (excess $O_{2}$ )
不完全燃烧产物	$C O / C + H_{2} O$ (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

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2022 · Paper 1
选择题：沸点变化规律
2023 · Paper 2
自由基氯化反应机理
2024 · Paper 1
燃烧产物鉴定

深入阅读

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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。