烷烃的物理性质及其变化

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简介

烷烃被认为很重要，因为它们是化学工业中主要需要的关键原料。此外，烷烃还用作汽油和润滑油的主要成分。烷烃最重要的性质之一是燃烧，它指的是烷烃在氧气存在下燃烧形成二氧化碳和水作为产物的条件。

什么是烷烃？

烷烃被称为石蜡，它们是有机化合物，由碳原子和氢原子组成。烷烃之间存在共价键，显示出树状结构。

图 1：烷烃的结构

Fvasconcellos 20:06, 2008年1月8日 (UTC)。DrBob 贡献的原始图像)。, IUPAC-烷烃-5, CC BY-SA 3.0

烷烃遵循的公式分别表示为 $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$，并具有特定于碳原子和氢原子数目的键数的物理和化学性质。烷烃最常见的结构是甲烷，即 $\mathrm{CH_4}$。烷烃是具有σ键的饱和烃。

烷烃的物理性质

物理性质是物质的特征，易于测量和观察，而不会改变物质的特性。对于烷烃，物理性质包括其各自的结构、溶解性、沸点和熔点，如下所示：

结构

在烷烃化合物中，存在的碳原子呈 $\mathrm{sp^3}$ 杂化状态。它有四个σ键，发生在碳原子和氢原子之间。

图 2：烷烃的电子结构

1840460mahesh，烷烃结构 3，CC BY-SA 4.0

甲烷的结构为四面体形，性质对称。键角为 109.47°。

溶解度

烷烃的溶解度取决于碳原子和氢原子的键合。因此存在很小的电负性差异，它们具有共价键。烷烃是非极性的，因此在非极性溶剂中可溶。烷烃被称为疏水性，不溶于水。

沸点

烷烃的沸点由范德华分子间力决定。这种力随着分子尺寸的增加或“表面积”的增加而增加。

图 3：沸点

AgnesLager，从甲烷到十九烷的烷烃沸点（摄氏度），CC BY-SA 4.0

烷烃的沸点据称会随着分子量的增加而增加。

图 4：烷烃沸点的例外情况

烷烃具有直链，导致沸点值更高。然而，这是与烷烃观察到的结构异构体相比而言的。

熔点

熔点与烷烃化合物中观察到的沸点非常相似。因此，熔点随着烷烃分子量的增加而增加。

图 5：熔点

1840460mahesh，烷烃沸点和熔点图，CC BY-SA 4.0

较高级别的烷烃被认为是固体，因此很难破坏分子间力。

烷烃的其他性质

烷烃的其他性质包括化学性质。化学性质包括烷烃的两个主要特征：燃烧和卤化。

燃烧

燃烧过程是指氧气与物质之间的化学反应。然而，当给予热量和光时，该反应发生。烷烃类物质的燃烧性很高，并且在有足够氧气的情况下会立即进行该过程。反应表示为：

$$\mathrm{CH_4 + 2O_2\:\rightarrow\: CO_2 + 2H_2O + 能量}$$

然而，在烷烃的燃烧过程中观察到放热反应。因此，烷烃用于生产燃料。

卤化

卤化反应导致烃的衍生物的形成。这导致一个或多个卤素原子取代氢原子。卤化反应表示为：

$$\mathrm{CH_3-CH_3 + Br_2\:\rightarrow\:CH_3-CH_2-Br + HBr}$$

烷烃的重要性及应用

在工业方面，烷烃被认为具有很高的商业用途。烷烃的应用包括作为液化石油气 (LPG) 的主要成分以及制造凡士林。此外，烷烃还用于喷气燃料，并且由于其高粘度，烷烃还用作润滑油、制蜡和制造合成聚合物。

结论

在本教程中，重点放在理解烷烃化合物的性质。这不仅包括物理性质，还包括化学性质。讨论了烷烃的结构，显示出四面体结构，并且在其碳原子和氢原子之间具有σ键。

常见问题解答

Q1. 烷烃观察到的性质是什么？

A1. 烷烃被称为烃类中最简单的。这些化合物含有碳和氢，由碳-氢键和碳-碳键组成。这些化合物被认为反应性非常低，并且具有非常低的生物活性。此外，烷烃是独特的，因为它们无色且无味。

Q2. 较高级别烷烃的物理状态是什么？

A2. 较高级别烷烃通常在字面上被理解为仅意味着烷烃具有更多的碳原子。另一个定义指出，较高级别烷烃被认为是正烷烃。这些正烷烃在自然条件下被认为是固体。

Q3. 发现了哪些不同类型的烷烃？

A3. 在化学领域，主要发现了三种类型的烷烃，包括直链烷烃、支链烷烃和环烷烃。