烷烴

圖為最簡單的烷烴類：甲烷（CH4），僅由碳和氫組成，並且全由單鍵連接，符合烷烴類的特點。
jyun4（Alkane），俗稱石蠟烴（Paraffin），又常簡稱為烷類，是碳氫化合物下的一種飽和烴，其整體構造大多僅由碳、氫兩種原子構成，且只有碳─碳與碳─氫兩種單鍵鍵結而成，是最簡單的一種有機化合物。其下又可細分出鏈烷烴（鏈狀烷類）與環烷烴（環狀烷類）。
其名烷雖為《集韻》裡收錄的字，讀音同「完」，但化學家取「碳」右下角的「火」，加上「完」也造出此同形異義字；「碳」表示其結構中含有碳，而「完」表示其分子結構中碳原子化合價完足的意思。

**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，反應式如下：

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。 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（12）：

**物理性質**
烷烴有許多物理性質：- 密度皆小於1*10^3kg/m^3。即密度小於4攝氏度的水（常壓）- 不溶於水，但溶於有機溶劑。- 熔點與沸點隨著分子量增大和碳鏈增長而升高，同碳數的烷烴，支鏈越多沸點越低。- 一般情況下，碳數小於5的烷類（甲烷到丁烷）為氣態，5-16之間的烷類（戊烷到十六烷）為液態，17個碳（十七烷）及以上的烷類為固態(十七烷的熔點為21～23℃）。

**化學性質**
在正常情況下，烷烴性質很穩定，因為碳－氫鍵和碳－碳鍵相對穩定，難以斷裂 、以及烷烴不會搶奪官能團，所以不容易發生反應（如：不能使酸性高錳酸鉀褪色；不能使溴水褪色），除了下面三種反應，小分子的烷烴幾乎不能進行其他反應。但支鏈多的烷烴，鍵角可能不同於即109.5度，導致其容易發生反應。

**燃燒反應**
反應通式：
所有的烷烴都能燃燒，而且反應放熱極多。烷烴完全燃燒生成CO2和H2O。如果O2的量不足，就會產生有毒氣體一氧化碳（CO），甚至炭黑（C）。（純淨的烷烴燃燒沒有特殊的顏色，一般完全燃燒為淡藍色，不完全燃燒為黃色或黃白色。）
以甲烷為例：- CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
O2供應不足時，反應如下：- 2CH4 + 3 O2 → 2CO + 4 H2O- CH4 + O2 → C + 2 H2O
分子量大的烷烴經常不能夠完全燃燒，它們在燃燒時會有黑煙產生，就是炭黑。

**滷代反應**
反應通式：NoteTag|X即為鹵素。
由於烷烴的結構太牢固，一般的有機反應不能進行。烷烴的滷代反應是一種自由基取代反應，反應的起始需要光能來產生自由基。
以下是甲烷被滷代的步驟。這個高度放熱的反應可以引起爆炸。
# 鏈引發階段：在紫外線的催化下形成兩個Cl的自由基
#* Cl2 → Cl* / *Cl
# 鏈增長階段：一個H原子從甲烷中脫離；CH3Cl開始形成。
#* CH4 + Cl*→ CH3*  + HCl （慢）
#* CH3*  + Cl2 → CH3Cl + Cl# 鏈終止階段：兩個自由基重新組合
#* Cl* 和 Cl*, 或
#* R* 和 Cl*, 或
#* CH3* 和 CH3*.

**裂解反應**
裂化反應是大分子烴在高溫、高壓或有催化劑的條件下，分裂成小分子烴的過程。裂化反應屬於消除反應，因此烷烴的裂化總是生成烯烴。如十六烷(C16H34)經裂化可得到辛烷(C8H18)和辛烯(C8H16)。
由於每個鍵的環境不同，斷裂的機率也就不同，下面以丁烷的裂化為例討論這一點：
# CH3-CH2-CH2-CH3 → CH4 + CH2=CH-CH3
#* 過程中CH3-CH2鍵斷裂，可能性為48%；
# CH3-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH3 + CH2=CH2
#* 過程中CH2-CH2鍵斷裂，可能性為38%；
# CH3-CH2-CH2-CH3 → CH2=CH-CH2-CH3 + H2
#* 過程中C-H鍵斷裂，可能性為14%。
裂化反應中，不同的條件能引發不同的機理，但反應過程類似。熱分解過程中有碳自由基產生，催化裂化過程中產生碳正離子和氫負離子。這些極不穩定的中間體經過重排、鍵的斷裂、氫的轉移等步驟形成穩定的小分子烴。
在工業中，深度的裂化叫做裂解，裂解的產物都是氣體，稱為裂解氣。

**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。

**鏈烷烴**
化學通式：2n+2
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NoteTag|十天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸代表碳數，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“,”（逗號）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。例如己烷命名方式：

**環烷烴**
化學通式：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：
6

**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橋環烷烴及螺環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：
File:Bicyclo(3.2.0)heptane.svg|left|thumb|120px|例一，二環3.2.0庚烷。
File:Norbornane-2D-skeletal.png|right|thumb|120px|例二，雙環2.2.1庚烷（俗稱降冰片烷）
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環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）。「3.2.0二環庚烷」亦可接受，但環上有取代基時「二環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**
出於化工習慣，異辛烷不是2-甲基庚烷，而是2,2,4-三甲基戊烷。

**結構**
烷烴中，每個碳原子都是四價的，採用sp3雜化軌道，與周圍的4個碳或氫原子形成牢固的σ鍵，可以旋轉，故烷類無順反異構物。
為了使鍵的排斥力最小，連接在同一個碳上的四個原子形成四面體。甲烷是標準的正四面體形態，其鍵角為，大約等於109°28′。
下面是前10種直鏈烷烴的分子式和結構模型圖。

**異構體**
正丁烷和異丁烷為同分異構體，化學式皆為C4H10；環丁烷和異丁烯為同分異構體，化學式皆為C4H8 雙環丁烷|雙環1.1.0丁烷是唯一化學式為C4H6的烷烴。
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）。超過3個碳原子的烷烴可以以多種方式排列，形成同分異構體。烷烴異構物的數目會隨著碳數增加而增加id=A000602。

**鏈烷烴的異構體**
 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。

**分佈**
烷烴是木星大氣層的主要成分
烷烴在宇宙間分佈眾多，其中分佈最多的是甲烷，而極少見由10,050個碳原子以上所構成的烷烴。

**太陽系的分佈**
烷烴分佈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%）、土衛六（5%），但在大多星球上，分佈較少，如地球、火星、土星等等。

**地球上的分佈**
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。

**應用**

**工業上的應用**
異辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的結構式。
由於烷烴的製取成本較高（一般要用烯烴催化加氫），所以在工業上不製取烷烴，而是直接從石油中提取。由於烷烴不易發生反應，所以工業上也不把它作為化工基本原料。烷烴的作用主要是做燃料。天然氣和沼氣（主要成分為甲烷）是近來廣泛使用的清潔能源。
由於烷烴大多來自於石油，所以必須經過分餾的過程，以得到各種不同用途的烷烴類。
分餾結果大約如下：- C20以上的餾分成分是重油，再經減壓蒸餾能得到潤滑油、瀝青等物質。

**其他**
 異辛烷與庚烷是汽油抗爆震度的一個標準，其辛烷值定為100與0。

**註釋**

**參考文獻**

**延伸閱讀**
  Virtual Textbook of Organic Chemistry date=20210421082222 

**外部鏈接**

**參見**
 環烷烴- 烯烴 - 炔烴- 烷基- 官能團- 裂化- 烴
分類:烴
分類:脂肪烴

分類:官能團