烷烃的结构与命名

厨房里拧开燃气灶，一股看不见的气体被点燃，跳出蓝色的火苗，锅底很快热了起来。这股气体的主要成分叫甲烷，是最简单的一种烷烃。打火机里压缩成液体的丁烷、油田里采出的石油、加油站里的汽油和柴油，里面都藏着大量结构相似的分子。它们有一个共同的名字——烷烃。

烷烃是有机物里结构最朴素的一类。它的分子只由碳和氢两种元素组成，碳原子手拉手连成链，剩下的空位全部接上氢。正因为结构简单，烷烃成了认识整个有机世界的第一块跳板：碳怎样搭骨架、同样的原子如何排出不同的分子、怎样给一长串碳原子取一个不会让人误会的名字，这些贯穿有机化学的核心问题，都可以先从烷烃身上看清楚。

先把烷烃这个家族的几位成员摆在一起，看看它们的分子式有什么规律。

把碳原子数和氢原子数对照着看：碳每多一个，氢就多两个。这条规律并不是巧合，它的根源藏在碳原子的成键方式里。

碳的四只手与烷烃的空间结构

要理解烷烃为什么长这样，得先回到碳原子身上。碳的原子序数是 $6$，最外层有 $4$ 个电子，因此一个碳原子能伸出“四只手”，与周围的原子形成 $4$ 个共价键。在烷烃里，这四只手要么拉着另一个碳，要么拉着一个氢，没有一只手是空着的，也没有两只手同时抓住同一个原子。这正是“饱和”二字的含义。

最简单的甲烷就是一个碳被四个氢均匀地拽在四周。许多人第一次画甲烷会把它画成一个平面上的十字，仿佛四个氢和碳挤在同一张纸上，可真实的甲烷分子是立体的：碳原子位于中心，四个氢原子指向一个正四面体的四个顶点。

之所以是正四面体而不是平面十字，是因为四个成键电子对互相排斥，它们会尽量远离彼此，在空间里张开成最对称的样子。键与键之间约 $109.5^\circ$ 的夹角，正是四只手“均匀分摊整个空间”的结果。

当碳原子不止一个时，碳与碳之间也以单键相连，每个碳依旧保持四面体的张开方式。于是多个四面体一个接一个地拼下去，碳链并不是笔直的一条直线，而是呈现出一种规则的锯齿形折线。比如丁烷 $\mathrm{C_4H_{10}}$ 的四个碳，写在纸上常画成一条横线，真实形状却是上下起伏的折线，每个拐角都接近 $109.5^\circ$。

用结构简式表达烷烃

把每一个碳、每一个氢、每一根键都画出来太费事，化学里常用更简洁的写法。下面以丙烷为例，对照三种常见表达。

结构简式里，$\mathrm{CH_3}$ 表示这个碳接了 $3$ 个氢，$\mathrm{CH_2}$ 表示接了 $2$ 个氢。把它们顺次连起来，就能一眼看出碳链有多长、每个碳还剩几个氢。这种“省略但不丢信息”的写法，会在后面命名时反复用到。

一个挨一个的家族：同系物与通式

回头看开头那张分子式的表格，会发现从甲烷到戊烷，每往下一行都像在前一个分子上又“接”了一段。乙烷比甲烷多一个 $\mathrm{CH_2}$，丙烷又比乙烷多一个 $\mathrm{CH_2}$，依此类推。这种结构相似、组成上彼此相差若干个 $\mathrm{CH_2}$ 的一系列化合物，互称为同系物，它们组成的整个系列叫同系列。

正因为成员之间只差 $\mathrm{CH_2}$，可以把所有烷烃的分子式压缩进一个统一的式子。设碳原子数为 $n$，那么氢原子数恒为 $2n+2$，于是烷烃的通式写作

这个通式把“碳每多一个、氢就多两个”这条经验规律变成了一行精确的代数关系。它的来历也不难看懂：一条 $n$ 个碳的链，两端各有一个碳，中间的碳左右都连着碳，把每个碳剩下的空位都补上氢，数下来正好是 $2n+2$ 个。

下表把前十个烷烃排在一起，可以更直观地看到通式如何运转。中文里前四个用甲、乙、丙、丁命名，从第五个起改用“数字 + 烷”的方式，对应着碳原子的个数。

汽油里常被提到的“辛烷值”，名字正来自第八个成员辛烷。记住甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸这十个字的顺序，往后命名时就有了一套现成的数词。

例题：用通式判断分子式

有一种烷烃，碳原子数是 $7$，它的分子式是什么？另有一种烃含有 $20$ 个氢原子，若它是烷烃，碳原子又是几个？

通式之所以好用，是因为它把“记住每个分子的样子”换成了“记住一条公式”。只要给出碳数或氢数中的一个，另一个就能立刻算出来。

同一个分子式的不同长相：碳链异构

甲烷、乙烷、丙烷的分子式各自只对应一种连接方式，碳链没有别的搭法。可一旦碳原子数达到 $4$，情况就变了。分子式 $\mathrm{C_4H_{10}}$ 既可以是四个碳排成一条直链，也可以是三个碳排成主链、第四个碳挂在中间那个碳上的“带支链”结构。

这两种分子的分子式完全相同，都是 $\mathrm{C_4H_{10}}$，但碳原子的连接顺序不一样，因而是两种不同的物质，沸点等性质也有差别。这种分子式相同、而结构不同的现象叫同分异构现象，彼此互称同分异构体。烷烃里产生异构的原因，正是碳链可以是直的，也可以拐出支链，这一类专门称为碳链异构。

碳原子越多，可以搭出的花样越多，异构体数目增长得相当快。下表列出几个烷烃的碳链异构体数目，能直观感受到这种增长。

例题：写出戊烷的所有碳链异构体

分子式 $\mathrm{C_5H_{12}}$ 的烷烃有几种？请写出它们的结构简式。

给烷烃取一个不会误会的名字

异构体一多，正丁烷、异丁烷、新戊烷这样的俗名就不够用了。碳数再大些，支链位置千变万化，靠“正、异、新”根本叫不过来。于是化学家制定了一套系统命名法，让每一种烷烃都有唯一、规范、能反过来画出结构的名字。

在动手命名之前，要先认识两个零件。把直链烷烃去掉一个氢原子后剩下的基团叫烷基，命名时把对应烷烃的“烷”字改成“基”字。常见的几个列在下表。

系统命名法的核心可以浓缩成四个动作：选主链、编号、找支链、连起来读。下面这张流程图把顺序固定下来。

这四步可以展开成下面更具体的规则。

例题：命名一个带支链的烷烃

请给下面这个结构命名：

沸点为什么一级一级往上爬：烷烃的物理性质

回到开头那张表格里的一个细节：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷在常温下是气体，戊烷却成了液体。沿着同系列往下走，烷烃的状态从气体过渡到液体，再到固体，这背后是一条清晰的规律。

碳数越多，分子越大、越长，分子之间“贴”在一起的吸引力就越强，要把它们彼此拉开变成气体就需要更高的温度，于是沸点随碳数增大而升高。一般情况下，碳数小于 $5$ 的烷烃常温为气体，碳数在 $5$ 到 $16$ 左右为液体，更多碳的为固体。

支链的多少也会影响沸点。碳数相同时，支链越多、分子越“圆”，分子之间贴合得越松，沸点反而越低。前面正丁烷沸点 $-0.5\ ^\circ\mathrm{C}$、异丁烷沸点 $-11.7\ ^\circ\mathrm{C}$ 的差别，正是这个原因。

除了沸点的递变，烷烃还有几条共同的物理特点：密度都比水小，所以汽油、煤油浮在水面上；它们几乎不溶于水，却能溶解油脂和许多有机物，这也是为什么汽油能用来擦去衣服上的油渍。

看着“老实”其实暗藏反应：烷烃的化学性质

烷烃分子里全是稳固的单键，常温下相当稳定，跟强酸、强碱、强氧化剂（如酸性高锰酸钾溶液）都很难起反应。正因为这份“不爱惹事”，烷烃常被用作溶剂和燃料。但稳定不等于绝对不反应，在合适的条件下，它会表现出三类典型反应。

最重要的一类是取代反应。以甲烷和氯气为例：常温下把两者混在一起放在暗处，几乎没有变化；可一旦用光照射，氯气分子被“拆开”，氯原子就会把甲烷上的氢一个个换下来，生成氯代甲烷和氯化氢。第一步反应写作

如果氯气足够多，取代会一步步深入，依次得到二氯甲烷、三氯甲烷（俗称氯仿）和四氯化碳：

第二类是氧化反应，最常见的就是燃烧。烷烃在足量氧气里完全燃烧，生成二氧化碳和水，并放出大量热，这正是它作为燃料的根本用途。甲烷完全燃烧的方程式为

若氧气不足，燃烧不充分，会生成有毒的一氧化碳甚至炭黑，这就是燃气热水器使用时必须保持通风的原因。

第三类是裂化（裂解）。把长链烷烃加热到很高温度，长碳链会断开成较短的分子，工业上靠这一过程把石油中的重油加工成汽油等更有用的轻质燃料。比如十六烷可能裂化成辛烷和辛烯：

小结

烷烃是只含碳、氢，且全部为单键的饱和烃，通式为 $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$。碳原子伸出四只手在空间里张成正四面体，键角约 $109.5^\circ$，碳链呈折线形。组成相差若干个 $\mathrm{CH_2}$ 的烷烃互为同系物；分子式相同而连接方式不同的则互为同分异构体，碳数越多异构体越多。系统命名法按“选主链、编号、标支链、连读”的顺序进行，让每种结构对应唯一名字。物理上沸点随碳数增大而升高、支链增多而降低；化学上烷烃常温稳定，但在光照下能与卤素发生取代反应，点燃时氧化燃烧放热，高温下还能裂化成更小的分子。

练习题

练习一（选择题）　下列物质中，属于烷烃的是（　　）

A. $\mathrm{C_2H_4}$　　B. $\mathrm{C_3H_8}$　　C. 　　D.

练习二（选择题）　关于甲烷分子的结构，下列说法正确的是（　　）

A. 甲烷分子是平面正方形结构

B. 甲烷分子中四个 $\mathrm{C-H}$ 键的夹角为 $90^\circ$

C. 甲烷分子是正四面体结构，碳原子位于中心

D. 甲烷分子中四个氢原子各不相同

练习三（选择题）　$\mathrm{C_5H_{12}}$ 共有的碳链异构体数目是（　　）

A. 2 种　　B. 3 种　　C. 4 种　　D. 5 种

练习四（选择题）　将甲烷与适量氯气混合，在光照下充分反应，下列物质中不可能生成的是（　　）

A. $\mathrm{CH_3Cl}$　　B. $\mathrm{CHCl_3}$　　C. $\mathrm{HCl}$　　D. $\mathrm{H_2}$

练习五（计算题）　某烷烃完全燃烧后，测得生成二氧化碳 $0.4\ \mathrm{mol}$、水 $0.5\ \mathrm{mol}$。求这种烷烃的分子式，并写出它的名称。

练习六（计算题）　已知某气态烷烃在标准状况下的密度为 $1.34\ \mathrm{g/L}$。求它的相对分子质量与分子式（标准状况下气体摩尔体积取 $22.4\ \mathrm{L/mol}$）。

所以分子式是 $\mathrm{C_7H_{16}}$，即庚烷。

称为正戊烷。

设分子式为 $\mathrm{C_{2k}H_{5k}}$。代入烷烃通式 $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$，令 $n=2k$，则氢应为 $2(2k)+2=4k+2$，又应等于 $5k$：

所以 $n=2k=4$，分子式为 $\mathrm{C_4H_{10}}$，即丁烷。

所以相对分子质量约为 $30$。设烷烃为 $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$，其相对分子质量为

令 $14n+2=30$，解得

所以分子式为 $\mathrm{C_2H_6}$，即乙烷。