烷烃

**烷（ㄨㄢˊ）烴**（英語：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：

　
: ${\rm {C_{n}H_{2n+2}+{\frac {3n+1}{2}}\ O_{2}\rightarrow n\ CO_{2}+(n+1)\ H_{2}O}}$

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（C 
5H 
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：不能使酸性過錳酸鉀褪色；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： CnH2n+2 + (3n+1)÷2 O2 → n CO2+ n+1 H2O 

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。

1. 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
2. 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\*
3. 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。裂化反應屬於脫去反應，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：

1. CH3-CH2-CH2-CH3 → CH4 + CH2=CH-CH3
  * 過程中 CH3-CH2 鍵斷裂，可能性為 48%；
2. CH3-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH3 + CH2=CH2
  * 過程中 CH2-CH2 鍵斷裂，可能性為 38%；
3. 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：C 
nH 
2n+2 
鏈烷烴的命名步驟為：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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：C 
nH 
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：

#### 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：

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 混成軌域，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。 

## 異構物

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，形成同分異構物。烷烴異構物的數目會隨著碳數增加而增加（OEIS 數列 A000602）。

### 鏈烷烴的異構物

* C1：沒有同分異構物： 甲烷
* C2：沒有同分異構物： 乙烷
* C3：沒有同分異構物： 丙烷
* C4：兩個異構物： 正丁烷，異丁烷
* C5：三個異構物： 正戊烷，異戊烷，新戊烷
* C6：五個異構物： 己烷
* C12：355 個異構物
* C32： 27,711,253,769 個異構物
* C60： 22,158,734,535,770,411,074,184 個異構物，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：

* 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。

## 注釋

## 參考文獻

## 延伸閱讀

## 外部連結

## 參見

* 環烷烴
* 烯烴 - 炔烴
* 烷基
* 官能基
* 裂化
* 烴