烷烴知識(shí)點(diǎn)梳理與擴(kuò)展

雷范軍

烷烴是組成和結(jié)構(gòu)上最基礎(chǔ)的有機(jī)物，是產(chǎn)生其他衍生物的碳骨架基礎(chǔ)，承載了有機(jī)物母體和碳骨架基礎(chǔ)兩個(gè)屬性。有機(jī)物的通性源于其分子中官能團(tuán)之外的烴基，排除碳碳雙鍵、碳碳三鍵和苯基的影響，實(shí)際上主要體現(xiàn)的是烷烴的性質(zhì)。因此，我們需要基于烷烴認(rèn)識(shí)有機(jī)物在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用、組成、結(jié)構(gòu)、通性和有機(jī)反應(yīng)的特點(diǎn)。

一、目標(biāo)導(dǎo)航

1.通過感受生活中常用的烷烴燃料（甲烷、丙烷、丁烷、煤油等）的重要作用，認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物中碳原子的成鍵特點(diǎn)和烷烴的結(jié)構(gòu)與組成，加深與烷烴相關(guān)的有機(jī)物通性的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)合理利用化學(xué)品的意識(shí)。

2.從化學(xué)角度分析生活中使用其他含烷烴的物質(zhì)（如凡士林、石蠟等）的一些現(xiàn)象，根據(jù)甲烷的性質(zhì)及生活常識(shí)推測(cè)烷烴可能具有的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，建立烷烴性質(zhì)與用途的關(guān)聯(lián)，促進(jìn)知識(shí)融會(huì)貫通、學(xué)以致用。

3.通過實(shí)際用途（燃料、石油化工和天然氣化工原料）和實(shí)驗(yàn)探究烷烴的氧化反應(yīng)（燃燒）、取代反應(yīng)（鹵代）和分解反應(yīng)（熱裂），提升考生對(duì)烷烴與烯烴、芳香烴及烴的衍生物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的學(xué)科理解水平，初步形成基于物質(zhì)類別對(duì)物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)的認(rèn)知模型。

4.從有機(jī)物通性的視角分析解決一些情境化問題（聚乙烯、聚丙烯等合成材料為何會(huì)老化，全氟代有機(jī)物為何抗老化，廢塑料何以能夠制油），構(gòu)建完整認(rèn)識(shí)有機(jī)物性質(zhì)的視角，認(rèn)識(shí)烷烴在有機(jī)物知識(shí)體系中的重要意義。

二、重點(diǎn)梳理

1.烷烴的分子結(jié)構(gòu)與組成（見表1）。

研究發(fā)現(xiàn)，無論是直鏈烷烴還是支鏈烷烴，它們的結(jié)構(gòu)與甲烷相似，所含共價(jià)鍵全部是單鍵。進(jìn)一步研究證明，烷烴分子中的碳原子都采取sp3 雜化，以伸向四面體四個(gè)頂點(diǎn)方向的sp3 雜化軌道與氫原子或其他碳原子結(jié)合，形成C—H 或C—C σ鍵。鏈狀烷烴的組成通式為CnH2n+2（n≥1），結(jié)構(gòu)相似、分子組成上相差一個(gè)或若干個(gè)CH2 原子團(tuán)的烷烴，互稱為同系物。

2.烷烴的物理通性及其與組成的關(guān)系。

（1）根據(jù)圖1中烷烴所含碳原子數(shù)與沸點(diǎn)變化曲線預(yù)測(cè)，丁烷為什么能作打火機(jī)的理想充入氣體？ 因?yàn)榉悬c(diǎn)太低了不行，難以液化，沸點(diǎn)太高了也不行，不易氣化。丁烷的沸點(diǎn)為-0.5 ℃，常溫下加壓易液化，減壓后又迅速氣化，因此丁烷是打火機(jī)的理想填充氣體。

（2）烷烴的沸點(diǎn)與碳原子數(shù)之間存在什么樣的變化規(guī)律？ 結(jié)合曲線圖分析，碳原子數(shù)越多，烷烴的相對(duì)分子質(zhì)量越大，范德華力越大，沸點(diǎn)越高。

（3）烷烴還有哪些物理性質(zhì)呢？ 隨著碳原子的增加，烷烴的物理性質(zhì)有什么樣的變化規(guī)律？ 烷烴的組成有什么特點(diǎn)？ 與烷烴的物理性質(zhì)之間有什么關(guān)系？ 烷烴的物理性質(zhì)既具有密度小、溶解性能較好等相似性，又隨碳原子數(shù)增大呈現(xiàn)出遞變的規(guī)律（見表2）。

3.烷烴的化學(xué)性質(zhì)。

烷烴分子中， C—C鍵和C—H 鍵中的σ鍵比較牢固，需要吸收較高能量才能斷裂;C與H 的電負(fù)性差異較小，σ 鍵電子不易偏向某一原子，分子中電子分布較均勻，對(duì)親核或親電試劑均無特殊親和力。與烯烴、炔烴、芳香烴及烴的衍生物相比，烷烴較為穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)貧乏。

（1）與酸性KMnO4 溶液、溴的四氯化碳溶液、強(qiáng)酸溶液、強(qiáng)堿溶液不能反應(yīng)。

（2）氧化反應(yīng)———可燃性。

斷裂C—H 鍵、C—C鍵和 OO 鍵，形成 CO 鍵和 H—O鍵。

烷烴都具有可燃性，這一性質(zhì)決定了烷烴在生活、生產(chǎn)中的重要用途，常用作燃料。

（3）特征反應(yīng)———取代反應(yīng)。

甲烷與氯氣的反應(yīng)中，斷裂C—H 鍵和Cl—Cl鍵，形成C—Cl鍵和H—Cl鍵。其他的烷烴物質(zhì)也可以在光照或高溫下與氯氣、液溴等鹵素單質(zhì)發(fā)生取代反應(yīng)。

烷烴受熱時(shí)，會(huì)分解產(chǎn)生含碳原子數(shù)較少的烷烴和烯烴。石化工業(yè)中的裂化和裂解，資源再生中的廢塑料制油等過程，都利用了與烷基性質(zhì)相關(guān)的有機(jī)物在高溫下發(fā)生分解的通性。

烷烴這一類物質(zhì)，在結(jié)構(gòu)上存在相似性，也就決定了它們?cè)诨瘜W(xué)性質(zhì)上的相似性。從典型代表物的性質(zhì)入手，通過分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)來推測(cè)、學(xué)習(xí)同一類別物質(zhì)的性質(zhì)，這是我們學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的一種重要方法。

三、方法指導(dǎo)

1.烷烴知識(shí)的結(jié)構(gòu)化。

2.適當(dāng)拓展延伸與烷烴相關(guān)的有機(jī)物通性。

塑料、橡膠、合成纖維等有機(jī)材料應(yīng)用非常廣泛，但普遍存在由熱老化、機(jī)械老化、化學(xué)老化等所導(dǎo)致的耐久性不足問題。其中的化學(xué)老化，一方面源于考生較為熟悉的官能團(tuán)，如高分子鏈節(jié)中碳碳雙鍵、酯基、酰胺鍵等在環(huán)境因素作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng);另一方面則與鏈節(jié)碳骨架中烷基的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。

烷烴（烷基）除了燃燒氧化，在催化劑、光照等作用下，分子中的C—H 鍵斷裂，還可發(fā)生部分氧化反應(yīng)，生成醛、酮、羧酸等有機(jī)物;或與鹵素作用，發(fā)生取代反應(yīng)。芳香烴側(cè)鏈的氧化反應(yīng)和醛、酮、羧酸的α位鹵代反應(yīng)等，均體現(xiàn)了源于烷基化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)物通性。

這也解釋了聚乙烯、聚丙烯等鏈節(jié)中缺乏活性官能團(tuán)的合成材料的老化，以及鹵素單質(zhì)等對(duì)其老化的加速作用。同樣，基于以上原理，為滿足抗老化、防腐蝕和滅火阻燃等要求，就需要排除與有機(jī)物分子所含烷基中C—H 鍵相關(guān)通性的影響。其中的一種做法是以較穩(wěn)定的C—F鍵代之，使用全氟代有機(jī)物，如聚四氟乙烯塑料、七氟丙烷滅火劑等。

四、跟蹤小練

1.下面是4個(gè)碳原子相互結(jié)合的6種方式（氫原子沒有畫出），其中符合通式CnH2n+2的是（ ）。

A.②③ B.①⑤

C.②③④ D.①⑤⑥

2.有一類有機(jī)硅化合物中只含有硅元素和氫元素，叫硅烷，它們的分子組成與烷烴相似，其中有一種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的硅烷叫甲硅烷（SiH4），則有關(guān)描述不正確的是（ ）。

A.硅烷的分子通式可表示為SinH2n+2

B.甲硅烷燃燒生成SiO2 和H2O

C.甲硅烷的沸點(diǎn)高于甲烷

D.甲硅烷的穩(wěn)定性比甲烷強(qiáng)

3.在1.013×105 Pa下，測(cè)得某些烷烴的沸點(diǎn)見表3。據(jù)表分析，下列說法正確的是（ ）。

A.在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，新戊烷是氣體

B.在1.013×105 Pa、20 ℃時(shí)，戊烷都是液體

C.烷烴隨碳原子數(shù)的增加，沸點(diǎn)降低

D.分子式為C5H12 的烷烴的同分異構(gòu)體中，隨支鏈的增加，沸點(diǎn)降低

4.某化學(xué)課外活動(dòng)小組為測(cè)定某廠生產(chǎn)的液化石油氣（設(shè)該液化石油氣由丁烷和丙烷組成）的平均相對(duì)分子質(zhì)量，在實(shí)驗(yàn)中需收集該混合氣體樣品，下列收集方法中正確的是（ ）。

5.由沸點(diǎn)數(shù)據(jù)：甲烷-146 ℃，乙烷-89 ℃，正丁烷-0.5 ℃，戊烷36 ℃，可以判斷異丁烷的沸點(diǎn)可能是（ ）。

A.低于-89 ℃ B.低于-0.5 ℃

C.高于-0.5 ℃ D.高于36 ℃

6.北京2022年冬奧會(huì)火種燈獨(dú)具中國文化特色，其造型靈感來自“中華第一燈”———西漢長(zhǎng)信宮燈，借“長(zhǎng)信”之意，表達(dá)人們對(duì)光明與希望的追求和向往?；鸱N燈燃料是丙烷（C3H8）氣體，下列關(guān)于丙烷說法不正確的是（ ）。

A.分子中碳原子不在一條直線上

B.難溶于水，熔沸點(diǎn)比乙烷高

C.不能發(fā)生氧化反應(yīng)

D.不存在同分異構(gòu)體

7.等質(zhì)量的下列烷烴完全燃燒，生成CO2 和H2O，耗氧量最多的是（ ）。

A.C2H6 B.C3H8

C.C4H10 D.C5H12

8.下列關(guān)于烷烴性質(zhì)的敘述不正確的是（ ）。

A.烷烴的沸點(diǎn)隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大而逐漸升高，常溫下烷烴的狀態(tài)隨碳原子數(shù)的增加由氣態(tài)→液態(tài)→固態(tài)

B.烷烴都能使溴水、酸性KMnO4 溶液褪色

C.在烷烴分子中，所有的化學(xué)鍵都是單鍵

D.烷烴和鹵素單質(zhì)在光照條件下能發(fā)生取代反應(yīng)

9.一溴甲烷被廣泛用于土壤消毒和消滅害蟲，但在蒙特利爾條約中屬于逐步禁用的藥品。下列說法錯(cuò)誤的是（ ）。

A.一溴甲烷的化學(xué)式是CH3Br

B.可以利用加成反應(yīng)制備一溴甲烷

C.一溴甲烷中只含共價(jià)鍵

D.一溴甲烷不存在同分異構(gòu)體

10.有機(jī)化合物M、N 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如下所示。下列說法錯(cuò)誤的是（ ）。

A.M、N 都不能使酸性KMnO4 溶液褪色

B.M 有兩種同分異構(gòu)體

C.M、N 分子中每個(gè)碳原子都形成4個(gè)共價(jià)鍵

D.等質(zhì)量的M、N 在足量氧氣中燃燒，完全燃燒時(shí)生成CO2 的質(zhì)量相同

11.2，2-二甲基丁烷發(fā)生一氯代反應(yīng)時(shí)，得到的一氯取代物最多有（ ）。

A.2種 B.3種

C.4種 D.5種

12.全氟烷烴的同系物有CF4、CF3—CF3、CF3—CF2-CF3 等，下列關(guān)于全氟烷烴同系物的表述不正確的是（ ）。

A.全氟烷烴屬于大氣污染物，能破壞臭氧層

B.全氟烷烴屬于鹵代烴

C.全氟烷烴能發(fā)生加成反應(yīng)

D.全氟烷烴的通式為CnF2n+2（n≥1）

13.丙烷鹵代反應(yīng)的部分反應(yīng)機(jī)理（以Cl2 為例）如下：

其中，Ⅱ步反應(yīng)為決速步驟，能量隨反應(yīng)進(jìn)程的變化如圖2所示，下列說法不正確的是（ ）。

參考答案：

1.B 提示：符合通式CnH2n+2 的是鏈狀烷烴，鏈狀烷烴不含雙鍵和碳環(huán);①⑤不含雙鍵和碳環(huán)，屬于鏈狀烷烴，②③④含有雙鍵，⑥含有碳環(huán)。

2.D 提示：根據(jù)題意，硅烷的分子組成與烷烴相似，分子通式為SinH2n+2，A 項(xiàng)正確。與甲烷相似，甲硅烷燃燒生成SiO2 和H2O，B項(xiàng)正確。甲硅烷與甲烷分子的組成和結(jié)構(gòu)相似，甲硅烷相對(duì)分子質(zhì)量大，所以沸點(diǎn)高于甲烷，C 項(xiàng)正確。碳元素的非金屬性比硅強(qiáng)，所以甲烷比甲硅烷穩(wěn)定，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

3.D 提示：新戊烷沸點(diǎn)為9.5 ℃，標(biāo)準(zhǔn)狀況為0 ℃，新戊烷為液體，A 項(xiàng)錯(cuò)誤。C5H12 包括了正戊烷、異戊烷、新戊烷，而新戊烷的沸點(diǎn)是9.5 ℃，標(biāo)準(zhǔn)狀況下是液體，20 ℃ 時(shí)是氣體，B 項(xiàng)錯(cuò)誤。從表中數(shù)據(jù)可知，烷烴隨碳原子數(shù)的增加，沸點(diǎn)逐漸升高，C項(xiàng)錯(cuò)誤。C5H12 的3 種同分異構(gòu)體中，隨支鏈數(shù)增加，沸點(diǎn)逐漸降低，D項(xiàng)正確。

4.D 提示：因?yàn)槎⊥楹捅槎疾蝗苡谒颐芏缺瓤諝獾拇螅远伎梢杂门潘ê拖蛏吓趴諝夥ㄊ占?，但是用排水法收集的氣體中含有水蒸氣，使測(cè)得的平均相對(duì)分子質(zhì)量偏小，所以不能選用此方法;在用排空氣法收集該混合氣體時(shí)，應(yīng)選用向上排空氣法且導(dǎo)氣管應(yīng)插到瓶底。

5.B 提示：由沸點(diǎn)數(shù)據(jù)：甲烷-146 ℃，乙烷-89 ℃，正丁烷-0.5 ℃，戊烷36 ℃，可知烷烴中碳原子個(gè)數(shù)越多其熔沸點(diǎn)越高，異丁烷中含有4個(gè)碳原子，其碳原子個(gè)數(shù)大于乙烷而小于戊烷，所以其沸點(diǎn)應(yīng)該大于乙烷而小于戊烷，并且支鏈越多熔沸點(diǎn)越低，所以異丁烷熔沸點(diǎn)低于正丁烷，則戊烷的沸點(diǎn)可能是“低于-0.5 ℃”。

6.C 提示：C3H8 是鏈烴，其中的碳原子為飽和碳原子，飽和碳原子和與之相連的四個(gè)原子形成四面體結(jié)構(gòu)，3 個(gè)碳原子不在一條直線上，A 項(xiàng)正確。丙烷是非極性分子，水是極性分子，難溶于水，丙烷相對(duì)分子質(zhì)量比乙烷大，熔沸點(diǎn)比乙烷高，B項(xiàng)正確。丙烷能與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，C 項(xiàng)錯(cuò)誤。丙烷不存在同分異構(gòu)體，D項(xiàng)正確。

7.A 提示：在質(zhì)量相等的條件下，烷烴分子中含氫量越高，完全燃燒消耗的氧氣越多。

8.B 提示：烷烴的性質(zhì)：烷烴的沸點(diǎn)隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大而逐漸升高，常溫下烷烴的狀態(tài)隨碳原子數(shù)的增加由氣態(tài)→液態(tài)→ 固態(tài)，A 項(xiàng)正確。烷烴均不能被酸性KMnO4 溶液氧化，也不能和溴水反應(yīng)，不會(huì)使其褪色，B 項(xiàng)錯(cuò)誤。烷烴分子中碳原子之間全部以碳碳單鍵結(jié)合成鏈狀，碳原子剩余的價(jià)鍵全部跟氫原子相結(jié)合而達(dá)到飽和，無論是碳碳鍵還是碳?xì)滏I都是單鍵，C項(xiàng)正確。烷烴跟純凈的鹵素單質(zhì)在光照條件下能發(fā)生取代反應(yīng)，D項(xiàng)正確。

9.B 提示：甲烷分子中的一個(gè)氫原子被溴原子取代生成一溴甲烷，所以一溴甲烷的化學(xué)式為CH3Br，A 項(xiàng)正確。甲烷分子中不含不飽和鍵，因此不能利用加成反應(yīng)制備一溴甲烷，B項(xiàng)錯(cuò)誤。一溴甲烷分子中碳原子和溴原子、氫原子之間都是以共價(jià)鍵相結(jié)合，所以只含共價(jià)鍵，C項(xiàng)正確。一溴甲烷只有一種結(jié)構(gòu)，所以不存在同分異構(gòu)體，D項(xiàng)正確。

10.D 提示：M 和N 都是烷烴，不能與酸性KMnO4 溶液反應(yīng)，A 項(xiàng)正確。M 是新戊烷，有兩種同分異構(gòu)體：CH3（CH2）3CH3、（CH3）2CHCH2CH3，B項(xiàng)正確。有機(jī)化合物分子中每個(gè)碳原子都形成4個(gè)共價(jià)鍵，C 項(xiàng)正確。M 的分子式是C5H12，N 的分子式是C8H18，M、N 的最簡(jiǎn)式不同，等質(zhì)量的M、N在足量氧氣中燃燒，生成CO2 的質(zhì)量不同，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

11.B 提示：2，2-二甲基丁烷分子中含有3類氫原子，與氯氣光照條件下發(fā)生一氯代反應(yīng)時(shí)，得到的一氯取代物最多有3種。

12.C 提示：全氟烷烴中碳原子已達(dá)飽和，不能發(fā)生加成反應(yīng)。

13.D 提示：氯代和溴代第一步斷裂Cl—Cl 鍵和Br—Br 鍵，斷鍵需要吸熱，Cl—Cl鍵的鍵長(zhǎng)短，鍵能大，Ⅰ 步反應(yīng)的ΔH ：氯代> 溴代，A 項(xiàng)正確。能量越低，產(chǎn)物越穩(wěn)定，B 項(xiàng)正確。烷烴中氫原子活性叔氫>仲氫>伯氫，氫原子環(huán)境不同，C—H 鍵的鍵能有差別，丙烷中含有仲氫和伯氫，斷裂C—H 鍵吸收的能量不同，C項(xiàng)正確。丙烷氯代產(chǎn)物的活化能差值較小，而兩種溴代產(chǎn)物的活化能差值較大，得到產(chǎn)物的難度不一樣，所得產(chǎn)物比例不相等，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

（責(zé)任編輯 謝啟剛）