烷烃

烷（wán）烴（tīng）^[2]^[3]（英語：Alkane），俗稱石蜡烃（Paraffin）^[4]^[5]，又常簡稱為烷類^[6]，是碳氫化合物下的一种饱和烃，其整体构造大多僅由碳、氢兩種原子構成，且只有碳─碳与碳─氢兩種单键鍵結而成^[7]，是最简单的一种有机化合物。其下又可细分出链烷烃（鏈狀烷類）与环烷烃（環狀烷類）^[8]。

圖為最簡單的烷烴類：甲烷（CH₄），僅由碳和氢組成，並且全由單鍵連接，符合烷烴類的特点。^[1]

其名烷^[9]雖為《集韻》裡收錄的字，读音同「完」，但化学家取「碳」右下角的「火」，加上「完」也造出此同形異義字；「碳」表示其结构中含有碳，而「完」表示其分子结构中碳原子化合价完足的意思^[10]。

性質概論

烷類皆難溶於水，在完全燃燒下可轉化為二氧化碳和水^[11]，反應式如下：

{\rm {C_{n}H_{2n+2}+{\frac {3n+1}{2}}\ O_{2}\rightarrow n\ CO_{2}+(n+1)\ H_{2}O}}

烷類會因組合結構的不同，其性質可能會有極大的差異。若結構相似，則性質相近；若結構不同，性質不同。^[11] 正因此，烷類種類繁多；但也由此許多化學式相同的物質，其性質不相同。如戊烷（C
5H
12）^[12]：

IUPAC命名	普通命名	熔點	沸點
戊烷	正戊烷	-130℃^[13]	36℃^[13]
2-甲基丁烷	异戊烷	-160℃^[14]	27.85℃^[14]
2,2-二甲基丙烷	新戊烷	-19.5℃^[15]	9.5℃^[15]

物理性质

人工合成的正十二面體烷（C₂₀H₂₀）結構。左圖為球棍模型，右圖為左圖省略氫原子的版本。

烷烴有許多物理性質：

密度皆小於1*10^3kg/m^3。即密度小于4摄氏度的水（常压）
不溶于水，但溶于有机溶剂。
熔点與沸点随著分子量增大和碳链增长而升高，同碳数的烷烃，支链越多沸点越低。
一般情况下，碳数小于5的烷類（甲烷到丁烷）为气态，5-16之间的烷類（戊烷到十六烷）为液态，17个碳（十七烷）及以上的烷類为固态(十七烷的熔点为21～23℃）。^[16]

烷烴	化学式	沸點 [°C]	熔點 [°C]	20 °C下的狀態	密度 [g·cm³]
甲烷	CH₄	-162	-182.5	氣體	0.000656
乙烷	C₂H₆	-89	-182.8	氣體	0.00126
丙烷	C₃H₈	-42	-187.7	氣體	0.00201
丁烷	C₄H₁₀	0	-138.0	氣體	0.00248
戊烷	C₅H₁₂^[17]	35.2 ^[17]	-130 ^[17]	液體 ^[17]	0.649 ^[17]
己烷	C₆H₁₄	69	-95	液體	0.659
庚烷	C₇H₁₆^[18]	98.8 ^[18]	-91 ^[18]	液體 ^[18]	0.695 ^[18]
辛烷	C₈H₁₈^[19]	126 ^[19]	-57 ^[18]	液體 ^[18]	0.708 ^[18]
壬烷	C₉H₂₀^[20]	151.7 ^[20]	-53 ^[20]	液體 ^[20]	0.724 ^[20]
癸烷	C₁₀H₂₂ ^[21]	174.9 ^[21]	-30 ^[21]	液體 ^[21]	0.734 ^[21]
十一烷	C₁₁H₂₄^[22]	196.3 ^[22]	-26 ^[22]	液體 ^[22]	0.743 ^[22]
十二烷	C₁₂H₂₆^[23]	216 ^[23]	-12 ^[23]	液體 ^[23]	0.753 ^[23]
十六烷	C₁₆H₃₄	287	18	液体^[24]	0.773
十七烷	C₁₇H₃₆	302.2	22	固体	0.777^[25]
二十烷	C₂₀H₄₂^[26]	343.4 ^[26]	37 ^[26]	固體	0.787 ^[26]
三十烷	C₃₀H₆₂	449.7	66	固體	0.810
四十烷	C₄₀H₈₂	523.88^[27]	82	固體	0.817
五十烷	C₅₀H₁₀₂	575	91	固體	0.824

化学性质

在正常情況下，烷烃性质很稳定，因为碳－氫键和碳－碳键相对稳定，难以断裂^[28] 、以及烷烴不會搶奪官能團，所以不容易發生反應（如：不能使酸性高锰酸钾褪色；不能使溴水褪色），除了下面三种反应，小分子的烷烃几乎不能进行其他反应。但支链多的烷烃，键角可能不同于 $\arccos \left(-{\frac {1}{3}}\right)$ 即109.5度，导致其容易發生反应。

燃燒反应

反應通式： C_nH_2n+2 + (3n+1)÷2 O₂ → n CO₂+ n+1 H₂O

所有的烷烃都能燃烧，而且反应放热极多^[29]。烷烃完全燃烧生成CO₂和H₂O^[11]。如果O₂的量不足，就会产生有毒气体一氧化碳（CO），甚至炭黑（C）^[30]。（纯净的烷烃燃烧没有特殊的颜色，一般完全燃烧为淡蓝色，不完全燃烧为黄色或黄白色。）

以甲烷为例：

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

O₂供应不足时，反应如下：

2CH₄ + 3 O₂ → 2CO + 4 H₂O
CH₄ + O₂ → C + 2 H₂O

分子量大的烷烃经常不能够完全燃烧，它们在燃烧时会有黑烟产生，就是炭黑。

卤代反应

反應通式： ${\rm {R+X_{2}\rightarrow RX+HX}}$

由于烷烃的结构太牢固，一般的有机反应不能进行。烷烃的卤代反应是一种自由基取代反应，反应的起始需要光能来产生自由基。

以下是甲烷被卤代的步骤。这个高度放热的反应可以引起爆炸。

链引发阶段：在紫外线的催化下形成两个Cl的自由基
- Cl₂ → Cl* / *Cl
链增长阶段：一个H原子从甲烷中脱离；CH₃Cl开始形成。
- CH₄ + Cl*→ CH₃^* + HCl （慢）
- CH₃^* + Cl₂ → CH₃Cl + Cl*
链终止阶段：两个自由基重新组合
- Cl* 和 Cl*, 或
- R* 和 Cl*, 或
- CH₃* 和 CH₃*.^[31]

裂解反应

裂化反应是大分子烃在高温、高压或有催化剂的条件下，分裂成小分子烃的过程。裂化反应属于消除反应，因此烷烃的裂化总是生成烯烃。如十六烷(C₁₆H₃₄)经裂化可得到辛烷(C₈H₁₈)和辛烯(C₈H₁₆)。

由于每个键的环境不同，断裂的机率也就不同，下面以丁烷的裂化为例讨论这一点：

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ → CH₄ + CH₂=CH-CH₃
- 过程中CH₃-CH₂键断裂，可能性为48%；
CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ → CH₃-CH₃ + CH₂=CH₂
- 过程中CH₂-CH₂键断裂，可能性为38%；
CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ → CH₂=CH-CH₂-CH₃ + H₂
- 过程中C-H键断裂，可能性为14%。^[31]

裂化反应中，不同的条件能引发不同的机理，但反应过程类似。热分解过程中有碳自由基产生，催化裂化过程中产生碳正离子和氢负离子。这些极不稳定的中间体经过重排、键的断裂、氢的转移等步骤形成稳定的小分子烃。

在工业中，深度的裂化叫做裂解，裂解的产物都是气体，称为裂解气。

命名

烷類的命名多採IUPAC命名法。
命名烷類的首要步驟是分析其為環狀亦或是鏈狀，再進行命名步驟。^[32]

鏈烷烴

化學通式：C
nH
2n+2^[33]
鏈烷烴的命名步驟為：

找出最長的碳鏈當主鏈，依碳數命名主鏈，前十個以天干代表碳數，碳數多於十個時，以中文數字命名，如：十一烷。
從最近的取代基位置編號：1、2、3...(使取代基的位置數字越小越好)。以數字代表取代基的位置。數字與中文數字之間以 - 隔開。
有多個取代基時，以取代基數字最小且最長的碳鏈當主鏈，並依甲基、乙基、丙基的順序列出所有取代基。
有兩個以上的取代基相同時，在取代基前面加入中文數字：一、二、三...，如：二甲基，其位置以“,”（逗号）隔開，一起列於取代基前面。

因為烷類一般簡單，故亦會使用「正、異、新」去區隔同樣化學式的烷類。IUPAC也曾推薦過此種命名方式^[34]。例如己烷命名方式：

普通命名	IUPAC命名	结构简式	结构式
己烷、正己烷	己烷	CH₃(CH₂)₄CH₃	^[35]
异己烷	2-甲基戊烷	(CH₃)₂CH(CH₂)₂CH₃	^[36]
新己烷	2,2-二甲基丁烷	CH₃C(CH₃)₂CH₂CH₃	^[37]

環烷烴

化學通式：C
nH
2(n+1-g)簡單的環烷烴的命名方式基本上和烷類方式相同，僅需在前添加一環字，以做識別。例如環丙烷：

具多環的環烷烴的命名法

除非有俗名，否則具多環的環烷烴如桥环烷烴及螺环烷烴的命名較為複雜。名字包括表示環數量的前綴（如「二環」）、各環內碳原子總數的後綴以及表示各端點之間碳原子數的數字前綴（表示於中括號內。多個環公用的碳原子，即橋頭碳不計入內）。如例一、例二：

這個環烷總碳數為七，由兩個環組成，尾為「庚烷」，頭為「雙環」。兩個被共用的碳原子間有三個連接路線：一為五元環的部分，共三個碳（兩個橋頭碳不計入內，下同）；二為四元環的部分，共二個碳；三為兩環之間共用的邊綫，只由兩橋頭碳直接連結，中間沒有碳。由此得出中括號內的數字（以降序表示數字之間用點分隔），[3.2.0]。故上圖的環烷名為二环[3.2.0]庚烷，而數字的個數總比環數多一個（在此有兩個環及三個數字）。「[3.2.0]二环庚烷」亦可接受，但環上有取代基時「二环[3.2.0]庚烷」有保留前面的位置的好處，方便加上其他含數字的前綴，以符合IUPAC命名常規。

上圖環烷總碳數為七，全為單鍵，詞尾為庚烷；兩共用碳間有兩對二碳碳鏈，也被一個碳原子連接著，故詞尾之前的數字前綴為[2,2,1]（共用碳不計入內）；這個環烷由兩個環組成，故前綴為「雙環」，最後得出「雙環[2.2.1]庚烷」。

特例

出于化工习惯，异辛烷不是2-甲基庚烷，而是2,2,4-三甲基戊烷。

结构

烷烃中，每个碳原子都是四价的，采用sp³杂化轨道，与周围的4个碳或氢原子形成牢固的σ键，可以旋轉，故烷類無順反異構物。
为了使键的排斥力最小，连接在同一个碳上的四个原子形成四面体。甲烷是标准的正四面体形态，其键角为 $\arccos \left(-{\frac {1}{3}}\right)$ ，大約等於109°28′。^[39]
下面是前10种直链烷烃的分子式和结构模型图。

碳数	中文名称	化学式	结构模型图
6	己烷	C₆H₁₄
7	庚烷	C₇H₁₆
8	辛烷	C₈H₁₈
9	壬烷	C₉H₂₀
10	癸烷	C₁₀H₂₂

異構體

烷類的異構物大多是鏈異構（由於支鏈不同而造成的異構物）。超过3个碳原子的烷烃可以以多种方式排列，形成同分异构体。烷烴異構物的數目會隨著碳數增加而增加（OEIS數列A000602）^[41]。

链烷烴的異構體

C₁：沒有同分異構體：甲烷
C₂：沒有同分異構體：乙烷
C₃：沒有同分異構體：丙烷
C₄：兩個異構體：正丁烷, 異丁烷
C₅：三個異構體：正戊烷, 異戊烷, 新戊烷
C₆：五個異構體：己烷
C₁₂：355個異構體
C₃₂： 27,711,253,769個異構體
C₆₀： 22,158,734,535,770,411,074,184個異構體，其中有很多為非穩定狀態。^[42]

分佈

烷烴在宇宙間分布眾多，其中分布最多的是甲烷，而極少見由10,050個碳原子以上所構成的烷烴^[44]。

太陽系的分布

烷烴分布於太陽系間許多星球的大氣層。有些佔了較多的比例，例如天王星（2.3%）^[45]、土衛六（5%）^[46]，但在大多星球上，分布較少，如地球、火星、土星等等^[47]。

地球上的分布

地球上的烷烴多為甲烷，而甲烷的濃度隨地球緯度降低而遞減，並在北緯40度及赤道附近都有明顯濃度下降。北半球與南半球平均濃度各為1.65ppm及1.55ppm。^[48]

應用

工業上的應用

由于烷烃的制取成本较高（一般要用烯烃催化加氢），所以在工业上不制取烷烃，而是直接从石油中提取。由于烷烃不易发生反应，所以工业上也不把它作为化工基本原料。烷烃的作用主要是做燃料。天然气和沼气（主要成分为甲烷）是近来广泛使用的清洁能源。

由於烷烴大多來自於石油，所以必須經過分馏的過程，以得到各種不同用途的烷烴類。分餾結果大約如下：

成分	碳數	分餾溫度	用途
石油氣	C₁–C₄	＜20℃	燃料、化工原料
石油醚	C₅–C₆	20℃－60℃	有機溶劑
汽油	C₇–C₉	60℃－200℃	燃料
煤油	C₁₀–C₁₆	175℃－300℃	燃料
柴油	C₁₅–C₂₀	250℃－10,400℃	燃料

C₂₀以上的馏分成分是重油，再经减压蒸馏能得到润滑油、沥青等物质。^[49]

其他

异辛烷與庚烷是汽油抗爆震度的一个标准，其辛烷值定为100與0。^[50]^[51]^[52]

注释

参考文献

延伸閱讀

Virtual Textbook of Organic Chemistry （页面存档备份，存于互联网档案馆）

外部链接

参见

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