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甲烷与烷烃 ​

概览

甲烷是最简单的有机物，其分子结构为正四面体，化学性质稳定，但在光照下能与氯气发生取代反应。以甲烷为代表，可以推广到一类只含碳碳单键的烃——烷烃（通式 $\ce{CnH_{2n+2}}$）。本笔记讲解甲烷的结构与性质、取代反应、烷烃通式与同系物。

核心概念 ​

1. 甲烷的分子结构 ​

  • 分子式：$\ce{CH4}$；结构式：中心碳原子与 4 个氢原子以共价键相连。
  • 空间构型：正四面体，碳原子位于中心，四个氢原子位于顶点。
  • 键角：$109^\circ 28'$（$109.5^\circ$）。
  • 特点：分子中无同分异构体（因为四个顶点等价），取代产物 $\ce{CH3Cl}$ 只有一种。

结构决定性质

甲烷中只有 $\ce{C-H}$ 单键，键能较大，结构稳定，所以甲烷化学性质稳定，不与强酸、强碱、强氧化剂（如酸性高锰酸钾）反应，也不使溴水褪色。

2. 烷烃 ​

  • 定义：分子中碳原子间以碳碳单键相连成链状，其余价键均与氢原子结合的饱和烃。
  • 通式：$\ce{CnH_{2n+2}}$（$n \geq 1$）。
  • 典型代表：甲烷 $\ce{CH4}$、乙烷 $\ce{C2H6}$、丙烷 $\ce{C3H8}$、丁烷 $\ce{C4H10}$。

重点知识 ​

1. 甲烷的物理性质 ​

  • 无色、无味气体，密度比空气小，极难溶于水。
  • 天然气、沼气、煤矿瓦斯气的主要成分都是甲烷。

2. 甲烷的化学性质 ​

（1）稳定性：常温下不与强酸、强碱、强氧化剂反应，不能使溴水、酸性 $\ce{KMnO4}$ 溶液褪色。

（2）可燃性（氧化反应）： $$\ce{CH4 + 2O2 ->[点燃] CO2 + 2H2O}$$

  • 火焰呈淡蓝色；注意：点燃甲烷前必须验纯，防止爆炸。

（3）取代反应（与氯气在光照下）： $$\ce{CH4 + Cl2 ->[光照] CH3Cl + HCl}$$ 继续取代可生成 $\ce{CH2Cl2}$、$\ce{CHCl3}$、$\ce{CCl4}$。

取代反应的特点

甲烷与氯气的取代反应是逐步、连续的，最终得到四种氯代甲烷的混合物和 $\ce{HCl}$。每取代 1 个氢原子，需要 1 分子 $\ce{Cl2}$，同时生成 1 分子 $\ce{HCl}$。1 mol 甲烷最多可被 4 mol 氯气取代（生成 $\ce{CCl4}$）。

3. 取代反应的概念 ​

有机物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应叫取代反应。产物为两种或以上，"有进有出"。

取代 vs 加成

取代反应"一换一"（如 $\ce{CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl}$）；加成反应"不饱和键打开直接加进来"（如 $\ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2BrCH2Br}$），产物只有一种。

4. 烷烃的性质规律 ​

  • 物理性质：随碳原子数增多，熔沸点逐渐升高，常温下状态由气态→液态→固态（$n \leq 4$ 的烷烃常温为气态）。
  • 化学性质：与甲烷相似，都较稳定，都能燃烧，都能在光照下与氯气发生取代反应。
  • 燃烧通式：$\ce{C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2}O2 ->[点燃] nCO2 + (n+1)H2O}$。

5. 烷烃的同系物 ​

典型例题 ​

例题 1：甲烷取代反应的定量计算 ​

题目：将 1 mol $\ce{CH4}$与足量$\ce{Cl2}$在光照下充分反应，生成四种氯代甲烷的物质的量相同。求消耗$\ce{Cl2}$ 的总物质的量。

分析：四种氯代甲烷为 $\ce{CH3Cl}$、$\ce{CH2Cl2}$、$\ce{CHCl3}$、$\ce{CCl4}$，物质的量相同，各占 $\dfrac{1}{4}\ \mathrm{mol}$。每生成 1 mol $\ce{CH3Cl}$需 1 mol$\ce{Cl2}$，每生成 1 mol $\ce{CH2Cl2}$需 2 mol$\ce{Cl2}$，每生成 1 mol $\ce{CHCl3}$需 3 mol$\ce{Cl2}$，每生成 1 mol $\ce{CCl4}$需 4 mol$\ce{Cl2}$。

解答： $$n(\ce{Cl2}) = \frac14(1+2+3+4) = \frac14 \times 10 = 2.5\ \mathrm{mol}$$

点评：也可用"氢原子守恒"快速求解：1 mol 甲烷含 4 mol 氢原子全部被取代，被取代下来的氢原子以 $\ce{HCl}$形式存在，需 4 mol$\ce{Cl2}$提供 4 mol$\ce{Cl}$；另外生成的 4 mol 氯代甲烷中还含 4 mol $\ce{Cl}$，共需 4 + 4 = 8 mol 氯原子 = 4 mol $\ce{Cl2}$。但题目要求四种氯代物物质的量相同，逐一代入即可。

例题 2：甲烷结构判断 ​

题目：下列说法正确的是（　） A. 甲烷分子是平面四边形结构 B. 甲烷的 $\ce{CH2Cl2}$ 有两种结构，说明其不是正四面体 C. 甲烷为正四面体结构，$\ce{CH2Cl2}$ 只有一种结构 D. 甲烷与氯气反应所得产物全为液体

分析：甲烷是正四面体结构（A 错）；若甲烷是平面四边形，$\ce{CH2Cl2}$会有"相邻"和"对角"两种结构，而实际只有一种，正好说明甲烷是正四面体（B 错、C 对）；产物中$\ce{CH3Cl}$ 为气体、$\ce{CCl4}$ 为液体（D 错）。

解答：选 C。

点评：$\ce{CH2Cl2}$ 只有一种结构，是证明甲烷为正四面体（而非平面四边形）的经典依据。

烷烃的结构简式与书写入门 ​

结构简式的写法 ​

  • 省略单键，把碳链上的氢合并写出，如 $\ce{CH3CH2CH2CH3}$。
  • 支链写在括号内或主链旁，如 $\ce{CH3CH(CH3)CH3}$。
  • 注意碳原子四价：每个碳连 4 根共价键（写结构简式后检查每个碳是否满足四价）。

常见烷烃及其结构简式 ​

名称分子式结构简式
甲烷$\ce{CH4}$$\ce{CH4}$
乙烷$\ce{C2H6}$$\ce{CH3CH3}$
丙烷$\ce{C3H8}$$\ce{CH3CH2CH3}$
正丁烷$\ce{C4H10}$$\ce{CH3CH2CH2CH3}$
异丁烷$\ce{C4H10}$$\ce{CH3CH(CH3)CH3}$

烷烃化学性质的相似性与递变性 ​

  • 相似性：都能燃烧、都能在光照下与卤素取代、都较稳定。
  • 递变性：随碳原子数增加，熔沸点升高、密度增大、常温状态由气→液→固。

取代反应与置换反应对比 ​

比较项取代反应置换反应
参与对象化合物 + 化合物/单质单质 + 化合物
产物两种或以上一种新单质 + 一种新化合物
是否氧化还原不一定一定是
实例$\ce{CH4 + Cl2 ->[光照] CH3Cl + HCl}$$\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}$

易错提醒 ​

常见错误

  • "甲烷是平面结构"❌ —— 甲烷是正四面体，键角 $109^\circ 28'$。
  • "甲烷与氯气取代只生成 $\ce{CH3Cl}$"❌ —— 是逐步取代的混合物，含四种氯代甲烷和 $\ce{HCl}$。
  • "1 mol 甲烷与 1 mol 氯气恰好完全反应生成 1 mol $\ce{CH3Cl}$"❌ —— 取代是连续的，$n(\ce{CH4}):n(\ce{Cl2}) = 1:1$ 时产物是混合物。
  • "甲烷使溴水或酸性高锰酸钾褪色"❌ —— 甲烷稳定，不能使溴水、酸性高锰酸钾褪色。
  • "烷烃的 $\ce{C-H}$ 键都能被任意原子替换"❌ —— 取代反应需要特定条件（光照）与试剂（卤素）。

与其他知识关联 ​

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