烷烴

烷烴（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：

$$\rm C_nH_{2n+2}+\frac{3n+1}{2}\ O_2\rightarrow n\ CO_2+(n+1)\ H_2O$$

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（C5H12）：

結構圖｜IUPAC命名｜普通命名｜熔點｜沸點

戊烷｜正戊烷｜-130℃｜36℃

2-甲基丁烷｜異戊烷｜-160℃｜27.85℃

2,2-二甲基丙烷｜新戊烷｜-19.5℃｜9.5℃

## 物理性質

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1×103 kg/m3，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℃）。

烷烴｜化學式｜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｜35.2｜-130｜液體｜0.649

己烷｜C6H14｜69｜-95｜液體｜0.659

庚烷｜C7H16｜98.8｜-91｜液體｜0.695

辛烷｜C8H18｜126｜-57｜液體｜0.708

壬烷｜C9H20｜151.7｜-53｜液體｜0.724

癸烷｜C10H22｜174.9｜-30｜液體｜0.734

十一烷｜C11H24｜196.3｜-26｜液體｜0.743

十二烷｜C12H26｜216｜-12｜液體｜0.753

十六烷｜C16H34｜287｜18｜液體｜0.773

十七烷｜C17H36｜302.2｜22｜固體｜0.777

二十烷｜C20H42｜343.4｜37｜固體｜0.787

三十烷｜C30H62｜449.7｜66｜固體｜0.810

四十烷｜C40H82｜523.88｜82｜固體｜0.817

五十烷｜C50H102｜575｜91｜固體｜0.824

## 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$\arccos \left( -\frac{1}{3} \right)$即109.5度，導致其容易發生反應。

### 燃燒反應

反應通式：$\rm C_nH_{2n+2}+\frac{3n+1}{2}\ O_2\rightarrow n\ CO_2+(n+1)\ H_2O$

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。

### 鹵代反應

反應通式：$\rm R + X_2 \rightarrow RX + HX$

由於烷烴的結構太牢固，一般的有機反應不能進行。烷烴的鹵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。

以下是甲烷被鹵代的步驟。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：CnH2n+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：

普通命名｜IUPAC命名｜結構簡式｜結構式

己烷、正己烷｜己烷｜CH3(CH2)4CH3

異己烷｜2-甲基戊烷｜(CH3)2CH(CH2)2CH3

新己烷｜2,2-二甲基丁烷｜CH3C(CH3)2CH2CH3

### 環烷烴

化學通式：CnH2(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「雙環」）、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：

例一所示的環烷總碳數為七，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，共兩個碳；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。故例一的環烷名為「雙環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雙環庚烷」亦可接受，但環上有取代基時「雙環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。

例二所示的環烷總碳數為七，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$\arccos \left( -\frac{1}{3} \right)$，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。

碳數｜中文名稱｜化學式｜結構模型圖

1｜甲烷｜CH4

2｜乙烷｜C2H6

3｜丙烷｜C3H8

4｜丁烷｜C4H10

5｜戊烷｜C5H12

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碳數｜中文名稱｜化學式｜結構模型圖

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。

### 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。

### 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%）、土衛六（5%），但在大多星球上，分布較少，如地球、火星、土星等等。

### 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。

## 應用

### 工業上的應用

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：

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。

## 延伸閱讀

- Virtual Textbook of Organic Chemistry