只含有碳氢两种元素化合物Word格式文档下载.docx

只含有碳氢两种元素化合物Word格式文档下载.docx

《只含有碳氢两种元素化合物Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《只含有碳氢两种元素化合物Word格式文档下载.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

10-10　m,四个键角相同，都是109。

28′。

据此甲烷应是一个正四面体结构的分子，碳原子位于正四面体的中心，四个价键伸向正四面体的四个顶角，与四个氢原子结合。

（见图9－1）

图9－1　甲烷的空间结构模型

　　　（a）正四面体模型（b）凯库勒模型（c）斯陶特模型

怎样解释甲烷分子的立体结构呢？

（一）碳原子的sp3杂化

鲍林等人提出了原子轨道杂化理论，该理论认为，形成甲烷分子时，碳原子的一个2s电子吸收能量激发到2pz轨道上，形成四个单电子轨道，碳原子从基态变为激发态，激发后，碳原子就可以形成四个共价键，但实验证明，甲烷分子的四个碳氢键是完全相同的。

为了解决这一矛盾，鲍林等人进一步提出了原子轨道的杂化，即碳原子的1个2s轨道、3个2p轨道重新组合形成四个能量相等的新轨道，这个过程叫做原子轨道的杂化。

这种由1s轨道和3个p轨道参加的杂化，叫sp3杂化，形成的新轨道叫sp3杂化轨道。

每个sp3杂化轨道均含有1/4s轨道成分和3/4p轨道成分，sp3杂化轨道的形状既不是s轨道的球形，也不是p轨道的哑铃形，而是一头大一头小的不对称的葫芦形，这样更有利于形成共价键时的轨道最大重叠（图9－2）。

四个sp3杂化轨道以碳原子为中心，大头伸向正四面体的四个顶点，四个sp3杂化轨道之间夹角为109。

28′，这样排布使四个sp3杂化轨道尽可能彼此远离，电子云之间相互斥力最小，体系最稳定，因此甲烷具有正四面体的空间结构。

　　　　　　　图9－2　碳原子的sp3杂化

（二）σ键

　　甲烷分子中的C－H键是由氢原子的1s轨道，沿着碳原子sp3杂化轨道对称轴方向正面重叠（“头碰头”重叠）而成，这种共价键的成键电子云围绕两个成键原子的键轴对称分布，称为σ键。

σ键的特点是电子云对键轴呈圆柱形对称分布，成键两原子可以围绕键轴相对旋转而不影响电子云的分布和改变键的强度。

所以，σ键是一种比较稳定的共价键。

其它烷烃分子中所有的碳原子都是以sp3杂化轨道形成C－Cσ键和C－Hσ键（图9－3），例如乙烷分子中有六个C－Hσ键和一个C－Cσ键，彼此键角均为109。

　　　　　　　图9－3　烷烃分子中的σ键

由于烷烃分子的键角基本保持109。

28′，因此碳链的立体形状不是直线型，而呈锯齿状。

例如已烷的碳链可表示为：

二、烷烃的同系列和同分异构现象

（一）同系列

烷烃中最简单的是甲烷，分子式是CH4，随碳原子数逐渐递增，可以得到一系列的烷烃：

名称：

　　甲烷　乙烷　　丙烷　　丁烷　　戊烷　……

分子式：

　CH4　　C2H6　　C3H8　　C4H10　　C5H12　……

以上的一系列烷烃中，相邻的两个化合物之间的组成差CH2，称为同系差。

在有机化合物中，把结构相似、在分子组成上相差1个或几个CH2原子团的一系列化合物称为同系列。

同系列中的化合物互称为同系物。

烷烃分子随着碳原子数的增加，碳链增长，氢原子数也随之增多。

如果碳原子数目是n，则氢原子数目是2n+2,所以烷烃的组成通式可用CnH2n+2表示。

有了通式，只要知道烷烃分子中所含碳原子的数目，就能写出它的分子式。

（二）烷烃的同分异构现象

有机物的同分异构现象非常普遍，烷烃的同分异构现象主要有碳链异构和构象异构，本章只讨论碳链异构。

碳链异构是指由于碳原子结合的顺序不同，从而产生直链的和带支链的异构体的异构现象。

烷烃中除甲烷、乙烷、丙烷没有碳链异构现象外，其余烷烃都有碳链异构，例如丁烷有两种，戊烷有三种异构体。

丁烷C4H10:

　　　　　　　　正丁烷

戊烷C5H12:

正戊烷异戊烷新戊烷

随着烷烃分子碳原子数的增加，异构体的数目迅速增多。

例如已烷有5种，庚烷有9种，辛烷有18种，癸烷有75种之多。

（三）碳原子的类型

　　观察烷烃异构体的结构式，可以发现碳原子在碳链中所处的地位并不相同，为加以识别，通常把碳原子分为四类：

　　伯碳原子：

只与一个碳原子直接相连的碳原子，又称一级碳原子，用1。

表示。

　　仲碳原子：

与两个碳原子直接相连的碳原子，又称二级碳原子，用2。

叔碳原子：

与三个碳原子直接相连的碳原子，又称三级碳原子，用3。

季碳原子：

与四个碳原子直接相连的碳原子，又称四级碳原子，用4。

例如下列烷烃结构中的各类碳原子：

连接在伯、仲、叔碳上的氢原子分别叫做伯（1。

）、仲（2。

）、叔（3。

）氢原子。

四种碳和三种氢原子所处的环境不同，反应性能也有差异。

三、烷烃的命名

　　有机化合物的种类繁多，掌握有机化合物的命名法是学习有机化学的一项基本任务。

正确的名称不仅能反映出有机物的组成，还能反映出其分子结构。

烷烃的命名法有两种，即普通命名法和系统命名法。

（一）普通命名法

　　普通命名法又称习惯命名法，只适用于结构比较简单的烷烃，命名原则如下：

　　1、按分子中碳原子数目称为“某烷”，对含有1～10个碳原子的烷烃，采用天干（甲乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）命名，从含有11个碳原子以上的烷烃，用中文数字命名。

例如：

CH4　甲烷　C4H10　丁烷　C10H22　癸烷　C13H28　十三烷

　　2、为区别异构体，常用“正”、“异”、“新”来区别，不含支链的烷烃叫“正”某烷，若在碳链一端含有特定结构（异丙基）的烷烃叫“异”某烷，若在碳链一端含有特定结构（叔丁基）的烷烃叫“新”某烷。

戊烷的三个异构体的习惯命名法。

正戊烷　异戊烷新戊烷

（二）系统命名法

　　系统命名法是根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）制定的命名原则，结合我国文字特点而制定的。

要学习系统命名法，首先要了解烷基的概念，烷烃分子去掉一个氢原子剩余的部分称为烷基，通式为CnH2n+1－，常用R－表示。

常见的烷基有：

CH3－甲基　　CH3CH2－　乙基　　CH3CH2CH2－　正丙基

仲丁基　　异丙基

命名原则：

　　1、选择最长的碳链作为主链，按主链所含碳原子数称为“某烷”；

2、把支链作为取代基，从靠近取代基的一端开始用阿拉伯数字给主链碳原子编号，确定取代基的位置；

3、把取代基的名称写在“某烷”之前，把取代基的位置写在取代基的名称和数目的前面，中间用短线隔开；

如果有相同的取代基则合并写，并在取代基前用二、三、四等注明相同取代基的数目；

3－乙基已烷　　　2,2－二甲基丁烷　　　2,4－二甲基已烷

　　　2,2，3－三甲基戊烷　　　　　　2,2－二甲基丙烷

5、若主链上有几个不同的取代基，应把小的基团写在前面，把大的基团写在后面；

所谓大小“顺序规则”主要是比较原子序数，原子序数大的原子叫较大基团，例如：

　—I＞—Br＞—Cl＞—SH＞—OH＞—NH3＞—CH3＞—H

烷基的优先顺序：

异丙基＞异丁基＞丁基＞丙基＞乙基＞甲基

例如：

2，3,5－三甲基－3－乙基已烷

四、烷烃的性质

（一）物理性质

物理性质主要是指化合物存在的状态、颜色、气味、密度、溶解度、熔点、沸点和折光率等。

纯净的物质在一定条件下有固定的密度、溶解度、熔点、沸点和折光率等物理性质，称为物理常数，物理常数对有机化合物的鉴定、分离、纯化具有重要意义。

例如戊烷在常温常压下沸点为36.1℃、熔点－129℃、密度0.6264gcm-3，折光率（nD20）1.3575。

在常温常压下，C1～C4的直链烷烃是气体；

C5~C6是液体；

C17以上是固体。

它们的沸点和熔点随碳原子数目的增加而升高，同系物之间，每增加一个CH2，沸点约升高20～30℃。

例如戊烷C5H12沸点36.1℃,已烷C6H14沸点68.7℃。

此外，在同分异构体中沸点随支链的增多而降低。

原因是分子中的支链，阻碍分子之间的紧密排列，减弱分子间的引力，从而降低了沸点。

正戊烷沸36.1℃

异戊烷沸点25℃，新戊烷沸点9℃。

烷烃的密度都小于1gcm-3,因此比水轻，属非极性化合物，不溶于极性的水，而溶于有机溶剂，服从“相似相溶”规则。

（二）化学性质

1、稳定性由于烷烃的结构都与甲烷相似，分子中各个原子间都以σ键相结合，σ键比较牢固，因而烷烃的化学性质比较稳定，通常不与强酸、强碱、强氧化剂作用。

将甲烷气体通入高锰酸钾酸性溶液，可以观察到高锰酸钾溶液不褪色，说明甲烷不与强氧化剂反应。

2.氧化反应烷烃在空气中燃烧，生成二氧化碳和水，同时放出大量的热。

甲烷在空气中燃烧：

所以，甲烷是一种很好的气体燃料

3、取代反应烷烃在光照、高温或催化剂的作用下，能与卤素发生反应。

例如，甲烷与氯气在光照下发生反应，反应是分步进行的。

一氯甲烷

二氯甲烷

三氯甲烷（氯仿）

四氯甲烷（四氯化碳）

在这几步反应中，甲烷分子中的氢原子逐步被氯原子所替代。

有机化合物分子中的某些原子或原子团，被其他原子或原子团所代替的反应，称为取代反应。

有机化合物分子中的氢原子被卤素原子取代的反应称为卤代反应。

烃分子中的氢原子被卤素原子取代而生成的化合物，成为卤代烃。

卤代烃是重要的烃的衍生物。

甲烷的四种氯代物都不溶于水。

常温下一氯甲烷为气体，其他三种为液体。

三氯甲烷又称氯仿，四氯甲烷又称四氯化碳，都是常用的有机溶剂。

四氯化碳还是一种效率较高的灭火剂。

上述甲烷的氯代反应，一旦发生就连续进行下去，称为连锁反应。

它的反应实质是共价键均裂引起的游离基反应。

整个反应历程，是氯分子在光照或加热到250℃时，吸收外界能量，发生共价键均裂，产生带单电子的氯原子。

这种带有未共用单电子的原子或基团称为游离基（又叫自由基）：

这是连锁反应的第一阶段，称为链的引发。

活泼的氯游离基立即夺取甲烷分子中的氢原子，产生甲基游离基，甲基游离基反过来进攻另一氯分子生成一氯甲烷，产生另一个新的氯游离基：

这个新的氯游离基可以重复上述反应，也可以与刚生成的一氯甲烷反应，逐步生成二氯甲烷，三氯甲烷和四氯化碳。

这是连锁反应的第二阶段，称为链的增长。

　　游离基之间也可以互相结合，消耗了游离基，导致连锁反应的停止，这个阶段称为链的终止。

　　连锁反应经历链的引发、链的增长和链的终止三个阶段，才完成反应。

所以烷烃的卤代一旦发生，就很难停留于某一步，必需连续进行下去，直至终结为止。

五、几种常用的烷烃

烷烃广泛地存在于自然界中。

石油气和天然气的主要成分是低级烷烃。

烷烃是燃料，燃烧时可以释放大量的热量。

一些烷烃还可采取适当的办法控制其氧化过程，或经过裂化为较小的分子，这些化合物都是化学工业的原料。

有些烷烃的混合物也是制药工业及医药中常用的有机溶液或药物中软膏基质等。

1.石油醚是低级烷烃混合物。

沸点范围在30～60℃的是戊烃和已烷的混合物；

沸点范围在90