第6章 烷烃.docx
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第6章 烷烃.docx
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第6章烷烃
第六章烷烃Alkanes
第一节烷烃Alkanes
学习目标Learningobjectives
■什么是烷烃?
■如何给烷烃命名?
■烷烃有何特性?
大纲参考:
3.1.6
烷烃是饱和的碳氢化合物;这些化合物仅含有碳-碳和碳-氢单键。
这些化合物是化学性质最不活泼的有机化合物。
它们可被用作燃料和润滑剂,同时也可用作其他多种化合物的起始合成原料。
这意味着它们对于工业很重要。
烷烃的主要来源是原油。
■通式(Thegeneralformula)
所有链式烷烃的通式是CnH2n+2。
碳氢化合物可能是无分支的链式烷烃、有分支的链式烷烃或环状烷烃。
无分支的链式烷烃(Unbranchedchians)
例如,戊烷——C5H12:
(结构式)(结构简式)
通常将无分支的链式烷烃称为“直链”烷烃,但其C-C-C角度为109.50(见3.9小节)。
这意味着碳链实际上并不是直的。
在某种无分支的烷烃中,每个碳原子带有两个氢原子,但末端碳原子除外,其上还有一个多余的氢原子。
有分支的链式烷烃(Branchedchains)
例如,甲基丁烷——C5H12,这是戊烷的一个异构体:
(结构式)(结构简式)
环式烷烃(Ringalkanes)
环式烷烃的通用分子式为CnH2n,因为在环状烷烃中不需要“末端”氢原子。
■如何给烷烃命名(Howtonamealkanes)
直链烷烃(Straightchain)
烷烃名称来自词根,可告诉我们碳原子的数量,同时后缀-ane表示是一种烷烃,见表1。
支链烷烃(branchedchain)
当你命名一种带有直链的碳氢化合物时,你必须首先找出最长的无分支链——有时还需要一点智慧,见下面的实例。
这里给出了词根名,然后按将前缀:
methyl-、ethyl-、propyl-等来命名分支或侧链。
最后,添加编号,以表明侧链与哪个碳原子相连。
例如
下面两种碳氢化合物相同,尽管乍一看它们似乎是不同的。
在以上两个结构图中,最长的未分支链(红色)为五个碳原子,因此其词根为pentane。
仅有一个碳原子构成的侧链,因此其应命名为methyl-。
该侧链与3号碳原子相连,因此其名称应为3-甲基戊烷(3-methylpentane)。
■结构(Structure)
异构现象(Isomerism)
甲烷、乙烷和丙烷没有异构体,但其后面的烷烃,随着分子中碳原子的数量增加,其可能出现的异构体数量也会增加。
例如,丁烷有四个碳原子,就有两种异构体,而戊烷则有三种异构体。
戊烷甲基丁烷2,2-双甲基丙烷
异构体的数量随碳链长度增加而快速增加。
葵烷(C10H22)有75种异构体,而C30H62的异构体则超过4百万种。
甲烷
CH4
乙烷
C2H6
丙烷
C3H8
丁烷
C4H10
戊烷
C5H12
己烷
C6H14
表1前六种烷烃的名称
■物理特性(Physicalproperties)
极性(polarity)
大多数烷烃均是非极性的,因为碳原子的电负性(2.5)和氢原子的电负性(2.1)相似,见3.3小节。
因此,这些分子之间仅有的分子间作用力是很弱的范德华力;分子越大,范德华力越强。
沸点(Boilingpoint)
这种逐渐增加的分子间作用力就是烷烃的沸点随碳链长度增加而增高的原因。
在室温下,较短的链式烷烃为气体。
有五个碳原子的戊烷,是一种液体,其沸点很低,为309K(36℃)。
然后当烷烃的碳链达到18个碳原子的长度时,烷烃在室温下为固体,看起来与蜡相似。
与相同碳原子数的直链烷烃相比,支链烷烃的熔点较低。
这是因为直链烷烃不能像支链烷烃那样能够紧密包裹在一起,因此范德华力的作用不再有效。
溶解性(Solubility)
烷烃不溶于水。
这是因为,水分子通过氢键保持在一起,而氢键的强度远大于在烷烃分子间起作用的范德华力。
但是,烷烃却能与其他相对无极性的液体混合在一起。
■烷烃如何反应(Howalkanesreact)
烷烃的化学性质相对不活泼。
他们具有很强的碳-碳键和碳-氢键。
他们不与酸、碱、氧化剂和还原剂反应。
但是,它们却能燃烧,在合适条件下,能与卤素反应。
在充分供氧的情况下,
它们能燃烧并形成二氧化碳和水(或在供氧不足的情况下,形成一氧化碳和水)。
图1液化气是丙烷和丁烷和混合物。
极地探险使用丙烷含量较高的特殊混合气体,因为丁烷在低于272K温度下为液体。
图2碳链长度增加对烷烃物理特性的影响
问题小结Summaryquestions
1给烷烃CH3CH2CH(CH3)CH3命名并画出其结构式。
2画出2-甲基己烷的结构式和结构简式。
3给2-甲基己烷的一个异构体命名,该异构体为直链。
4在问题3中,两种异构体中哪个的熔点更高?
并解释之。
第二节原油的分馏Fractionaldistillationofcrudeoil
学习目标Learningobjectives
■原油的来源是什么?
■在工业规模上,如何将原油分离为有用的组分?
大纲参考3.1.6
目前,原油是全世界有机化合物的主要来源。
我们将原油称为化石燃料,因为它是千百万年前深埋在地下的植物和动物尸骨在高温高压下发生降解而形成的。
由于原油形成非常缓慢,这种资源无法有效再生。
多数情况下,原油是烷烃的混合物,包括未分支的和分支的烷烃。
来源不同的原油,其组分也不一样。
表1中给出了典型北海石油的组分。
原油还含有少量其他组分,溶解在其中。
这些组分来自形成石油的远古植物和动物的其他元素,例如,某些原油含有硫元素。
当这些原油燃烧时,可产生二氧化硫(SO2)。
这是造成酸雨的原因之一;二氧化硫可与大气中含量很高的氧发生反应,生成三氧化硫。
三氧化硫在与大气中的水反应,就形成了硫酸。
表1典型北海石油的组分
产品
气体
石油
石脑油
煤油
汽油
燃油和蜡
近似沸点/K
310
310-450
400-490
430-523
590-620
超过620
碳链长度
1-5
5-10
8-12
11-16
16-24
25+
百分比
2
8
10
14
21
45
提示Hint
现在正在产生原油,但是沉积物的累积是一个十分漫长的过程。
原油的分馏(Fractionaldistillationofcrudeoil)
为了将原油转化为有用的产品,我们必须将混合物分开。
我们通过加热原油,并收集在不同温度范围内蒸发出来的组分来实现这一目的。
每种组分都是具有相似碳链长度的碳氢化合物组成的混合物,因此,这些组分具有相似的特性,见图1。
这个过程就称为分馏(fractionaldistillation),这一过程是在分馏塔(fractionatingtower)中完成的。
■首先在加热炉中将原油加热。
■将液体和气体混合物通入一个分离塔,塔顶部(而不是底部)装有冷却器。
■蒸汽通过一系列含有泡罩的收集盘通向塔顶,直至达到一个充分冷却(收集盘的温度低于其沸点)的收集盘。
然后这些气体就被冷凝为液体。
■冷凝在每个收集盘上的液体混合物通过管道被移除。
■碳链较短的碳氢化合物被冷凝在越靠近塔顶部的收集盘中,这个地方的温度更低,因为混合物的沸点更低。
■在塔底部收集到的厚重残留物称为柏油或沥青。
这些材料可用于铺路,由于其供应常常超过了需求,因此往往对这个组分进行深加工,以产生更有价值的产品。
学习建议Studytip
学生无需记住各种组分及其沸点,但你应当明白分馏的基本原理。
Gasolinetray:
汽油收集盘
Risingvapours:
上升的蒸汽
Gasoline:
汽油
Kerosenetray:
煤油收集盘
Kerosene:
煤油
Descendingliquid:
下降的液体
gases:
气体
fuelonsite:
原地点燃
gasoline/petrol(naphtha)cars:
汽油/汽油(石脑油)小汽车用
kerosene/paraffin:
煤油/石蜡
jetfuel,lighting飞机燃料,照明
Dieseloil:
柴油
Lorriesandtaxis:
卡车和出租车用
Vaporizedcrudeoilin:
原油在塔中蒸发
Lubricatingoilandwaxes:
重油和蜡
Candlesandengineoil:
蜡烛和引擎油
Fueloil:
燃油
Ships,powerstations:
船舶和电站
Tar/bitumen柏油/沥青
Roadsandroofing:
铺路和屋顶防水
图1原油的分馏
图2原油在筒式分馏塔(典型情况下直径为8米,高度为40米)中通过分馏作用被分离为各种组分。
石化厂的规模各不相同,但典型石化厂每年能处理三百五十万吨原油。
提示Hint
分馏是一个物理过程,因此分子内没有共价键断裂。
在蒸发过程中,只有分子间的范德华力被破坏,而在冷凝时又会重新形成。
问题小结Summaryquestions
1、画出己烷的分子式和结构式。
2、在表1中,在所命名的原油组分中,哪一种最可能是己烷?
3、什么是分馏,它与蒸馏有何区别?
第三节工业裂解Industrialcracking
学习目标Learningobjectives
■什么是裂解?
■热裂解的条件和产物是什么?
■催化裂解的条件和产物是什么?
■进行热裂解的经济原因是什么?
大纲参考:
3.1.6
原油通过分馏作用得到的石脑油组分,在石油和化学工业方面有巨大需求。
碳链较长的组分作用不大,因此其经济价值较低。
大多数原油中的长链组分比想要的短链组分多,而石脑油组分往往不够多。
与碳链较长的物质相比,碳链较短的产品在经济上更有价值。
为满足对碳链较短的碳氢化合物的需求,需要将较长碳链的组分裂解为碳链较短(裂化的)的产品。
这可得到两种有用的结果:
1、可产生更有用的碳链较短的产品,尤其是石油。
2、某些产物为烯烃,这种产物的反应性较烷烃强。
需要注意的是,石油主要是烷烃的混合物,含有四至十二个碳原子。
烯烃可用作化工原料(这意味着它可以为工业提供起始合成物料,可用于生产不同的物质)并可转化为多种别的化合物,包括多聚物和从油漆至药物等多种产品。
乙烯很可能是最重要的烯烃,这是合成聚乙烯的起始物料。
烷烃的反应性很差,需要很苛刻的条件才能使其降解。
有很多方式可使其发生裂解。
■热裂解(Thermalcracking)
这种反应是将烷烃加热到700-1200K的温度,在高压下(高达7000kPa)。
碳-碳键断裂,其断裂方式为两个碳原子夺得共价键电子对中的一个电子。
因此,最初就产生了两条较短的碳链,每条碳链的一个末端碳原子带有一个未配对的电子。
这些片段被称为自由基。
自由基是反应性很高的中间产物,能以各种方式反应,形成多种较短的碳链分子。
由于没有足够的氢原子来产生两种烷烃,因此新的碳链必须含有一个碳碳双键,于是就形成了一种烯烃:
自由基-黑点表示未配对的电子
图2热裂解
学习建议Studytip
学生应明白裂解的经济意义。
图1从原油中获得的各种产品
任何数量的碳-碳键均可断裂,而碳链不一定是从中间断开。
也可产生氢原子。
热裂解倾向于产生高比例的烯烃。
为避免发生过多的降解反应(最终会生成碳和氢),烷烃在这些条件下停留很短的时间,典型情况下为一秒钟。
上面的反应式(图2)显示的是一种长链烷烃发生的裂解反应,产生一种碳链较短的烷烃和一种烯烃。
碳链可在任何位点断开。
催化裂解(Catalyticcracking)
催化裂解发生在较低的温度(约为720K)和较低的压力(但高于大气压)条件下,使用一种含有二氧化硅和氧化铝的沸石催化剂。
沸石具有蜂巢状结构,具有很大的表面积。
沸石催化剂呈酸性。
这种裂解形式主要用于汽车燃料。
产物多数为支链烷烃、环式烷烃(rings)和芳香族化合物,见表3。
通过裂解得到的产物再通过分馏进行分离。
在实验室中,催化裂解可在如图4所示的装置中进行,使用块状氧化铝作为催化剂。
产物多数为气体,表明其碳链长度低于C5,该混合物可使溴水脱色。
该试验可用于检测是否有碳碳-双键,表明产物中含有烯烃。
mineralwoolsoakedin
lightparaffin(amixtureofalkanesC10toC20):
被吸收在矿物棉中的轻质石蜡(是C10至C20烷烃组成的混合物)
aluminiumoxidecatalyst:
氧化铝催化剂
heat:
加热
gaseousproduct:
气态产物
图4烷烃的实验室裂解
图3以苯环C6H6为基础的芳香族混合物。
尽管其似乎有三个碳-碳双键,如a所示,但电子实际上是绕环分布,使其比预期的更为稳定。
该物质通常用b中的符号表示。
学习建议Studytip
学生应能够预测典型热裂解和催化裂解反应的产物并写出反应式。
问题小结Summaryquestions
1、完成下面的文字反应式,研究葵烷热裂解的一种可能性。
葵烷→辛烷+?
2、在烷烃的实验室裂解中,请详细阐述为何产物的碳链比起始物料短?
3、为何在工业上我们不裂解辛烷?
4、如何减少裂解所需的温度?
5、请给出裂解长链烷烃的两个经济原因。
第四节烷烃的燃烧Combustionofalkanes
学习目标Learningobjectives
■什么是燃料?
■为什么说烷烃是很好的燃料?
■与使用烷烃作为燃料有关的环境问题是什么?
■现在我们针对这些问题做了些什么?
■未来将如何解决这些问题?
大纲参考:
3.1.6
烷烃的反应性很差。
它们不与酸、碱、氧化剂和还原剂反应。
但是,它们可以燃烧,并在合适条件下与卤素反应。
■燃烧(Combustion)
在供氧充足的情况下,碳链较短的烷烃可完全燃烧,并产生二氧化碳和水。
例如,甲烷:
CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)ΔH=-890kJmol-1
或乙烷:
CH4(g)+3½O2(g)→2CO2(g)+3H2O(l)ΔH=-1559.7kJmol-1
这些燃烧反应会产生热量。
它们具有很大的燃烧反应负焓值(见7.2小节),碳原子数越多,产生的热量越大。
正是由于这种原因,这些物质作为燃料,与我们的生活息息相关。
燃料就是燃烧时可释放热能的物质。
少量的这些物质就可以储存大量的能量。
例如,辛烷燃烧时,每克可产生大约49KJ的热量,大约是每克炭产生能量的两倍。
烷烃燃料的实例包括:
■甲烷(天然气或“北海”天然气的主要成分)
■丙烷(“野营”用气)
■丁烷(“液化”气)
■汽油(碳链长度约为C8的碳氢化合物的混合物)
■石蜡(碳链长度约为C10至C18的碳氢化合物的混合物)
■不完全燃烧(Incompletecombustion)
在有限供氧的情况下,可形成有毒气体——一氧化碳(CO)。
以丙烷为例:
C3H8(g)+3½O2(g)→3CO2(g)+4H2O(l)
这种现象称为不完全燃烧
如供氧更少,可产生碳(煤烟)。
例如,当在一个密闭的洞内使用煤气喷灯时,火焰呈黄色,在喷灯上可出现黑色的煤烟样沉积物。
通常碳链较长的碳氢化合物会发生不完全燃烧,与碳链较短的碳氢化合物相比,它们燃烧需要更多的氧气。
学习建议Studytip
你必须能够配平燃烧化学方程式。
污染空气(Pollutingtheatmosphere)
所有来自原油、含碳氢化合物的燃料在其燃烧时,均可产生污染物。
包括以下这些污染物:
■一氧化碳(CO),一种因为不完全燃烧产生的有毒气体
图1不完全燃烧可能有危险,因为会形成一氧化碳。
当厨房中这种其他浓度达到危险水平时,一氧化碳将测器可报警。
学习建议Studytip
学生一定要知道由于使用含碳燃料所导致的问题。
■氮氧化物,NO、NO2和N2O4通常缩写为NOX,当有足够能量时,空气中的N2和O2就能结合产生这些物质,例如:
N2(g)+O2(g)→2NO(g)
该反应发生在汽油引擎中,在很高的温度条件下,当火花引燃燃料时。
这些氧化物可与空气中的水和氧气反应,形成硝酸。
因此,这些物质是导致酸雨和光化学烟雾的主要因素。
■二氧化硫是另一种导致酸雨的物质。
二氧化硫产自原油中存在的含硫杂质。
该氧化物与空气中的水蒸汽和氧气结合,可形成硫酸。
SO2+H2O→H2SO3+½O2→H2SO4
■碳颗粒,称为微粒,这种物质会加剧哮喘,并导致癌症
■未燃完的碳氢化合物也可进入大气,这些均是重要的温室气体。
这些物质有助于形成光化学烟雾,这会导致多种健康问题。
■二氧化碳(CO2)是一种温室气体。
当碳氢化合物燃烧时,通常会产生这种物质。
尽管大气中的二氧化碳是必需的,但是,其浓度正日益增高,这有可能导致地球温度升高,并因此导致气候改变,见下面。
■水蒸气,也是一种温室气体
除硫(Removingsufur)
电站可使用煤炭或天然气(在英国更多使用这种燃料)来生产电能。
现在,某些烟囱(排气道)使用氧化钙(CaO)或石灰石(CaCO3)来吸收二氧化硫。
这可以产生石膏(CaSO4),这种物质可用作塑形剂。
这个过程就称为烟气脱硫。
催化转化器(Catalyticconverters)
以上列出的大多数污染物均是内燃机产生的,现在已经从汽油中去除了硫,所以二氧化硫已经不是大的问题。
所有使用汽油引擎的新轿车在其排气系统中均装有催化转化器。
这些设备减少了其排放气体混合物中的一氧化碳、氮氧化物和未燃尽的碳氢化合物排放量。
催化转化器具有蜂巢状结构,是由陶瓷材料做成的,其上有铂和铑金属涂层。
这些物质是催化剂。
蜂巢形状提供了非常大的表面积,因此,少量的这些金属材料就能作用很长时间。
当污染气体从催化剂上通过时,它们之间相互作用,可通过以下反应形成危害较小的产物:
12CO(g)+2NO(g)→N2(g)+2CO2(g)
一氧化碳一氧化氮氮气二氧化碳
2碳氢化合物+氮氧化物→氮气+二氧化碳+水
例如,C8H18+25NO→12½N2+8CO2+9H2O
反应发生在催化剂表面的铂和铑金属层上。
图2光化学烟雾是阳光、大气中的氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物发生的化学反应,可产生气源性颗粒(称为颗粒物)和地表臭氧。
图3一种催化转换器
全球变暖和温室效应(Globalwarmingandthegreenhouseeffect)
温室内会变得很热。
这是因为来自太阳的可见光可穿透玻璃。
其能量可被温室内的每种东西吸收并以红外能量的形式再次辐射,但却不能发散出去,这就是热量。
红外能量具有较长的波长,因此,无法穿透玻璃而被重新反射回去。
二氧化碳起着类似玻璃的作用。
该物质可将红外线捕获,因此,地球大气就变得越来越热。
这一点对于生物很重要,因为,如没有二氧化碳和其他的温室气体,则地球会变得很冷,以至于无法维持生命活动。
其他的温室气体是水蒸气和甲烷。
这些气体的作用甚至比二氧化碳更有效,但近年来大气中这些气体的浓度没有大的变化。
但是,自工业革命以来,大量化石燃料被用做工厂的动力,二氧化碳的浓度正逐渐增高。
地球的温度也在逐渐升高,但多数科学家相信,二氧化碳浓度增高是导致全球变暖的原因。
大气中水蒸气(最丰富的温室气体)的浓度大体上保持不变(除有些局部地区——例如,由于瀑布导致水蒸气浓度增高),因为水(液体)和水蒸气之间能保持平衡。
但是,如果大气温度升高,则水将变为水蒸气进入空气,因此,温室将变得更加温暖。
这可能被形成较大的云团抵消,云团可反射阳光辐射。
因此,尽管已经认识到水具有非常重要的作用,但尚未完全弄清。
但是,与现在相比,地球过去的平均温度显著增高和显著降低,通过这样一个事实,我们应当能发现全球正在变暖。
■科学探索(Howscienceworks)
太阳黑子或全球变暖?
(Sunspotsorglobalwarming?
)
太阳黑子是以黑子形式出现在太阳上的磁性区,似乎能使太阳的能量输出增加。
但是,关于太阳黑子数量增多(而不是二氧化碳浓度增加)是否正在促使地球的气候发生改变尚有一些争论,如全球变暖真是由于黑子数量增多导致,那我们也将无能为力。
有一种理论认为,地球温度增高是有黑子活动导致的结果,地球温度增高可能会促使溶解在大海中的二氧化碳被释放出来,从而导致大气中的二氧化碳浓度增高。
但是,在我们搞清楚太阳黑子或二氧化碳排放量增加是否是导致全球变暖的原因之前,有必要找出减少二氧化碳排放量的方法——通过寻找替代燃料,如氢,或使用风、潮汐、太阳能或核能来提供电力。
碳平衡活动(Carbonneutralactivities)
许多人都很关注能产生大量二氧化碳的活动,如飞机航班等,从伦敦飞往巴黎的一个航班,平均每位旅客要排放大约350kg的二氧化碳(来自碳氢燃料燃烧)。
总体上不产生二氧化碳排放的活动被称为碳平衡。
可见光辐射(阳光)很容易穿透大气并使地球变暖
地球发出不可见的红外光,并使其冷却。
但大气中的温室气体起着围栏的作用,将一些红外光围在里面,使热量保留在其中。
地球和温室以相同方式围住热量。
图4温室效应
问题小结Summaryquestions
1、写出并配平以下符号方程式:
a丙烷完全燃烧
b丁烷不完全燃烧产生一氧化碳和水
2、a使用含碳的燃料导致的问题是什么?
b应采取什么措施来减少这些问题?
3、指出两种不使用含碳的燃料的替代能源,并讨论每种能源的赞成意见和反对意见。
练习题(Practicequestions)
1从石油中获得的馏分含有属于烷烃同系物的饱和碳氢化合物。
(a)(i)给用于从石油中获取组分的过程命名。
(ii)阐述应用于碳氢化合物中的术语:
“饱和的”一词的含义。
(2分)
(b)写出葵烷(C10H22)不完全燃烧,仅产生碳和水的化学方程式。
(1分)
(c)当汽油在内燃机中燃烧时,会形成一些一氧化氮(NO)。
这种污染物可通过与催化转化器反应的方式从废气中去除。
(i)写出氮气与氧气反应形成一氧化氮的化学方程式。
(ii)说出催化转化器中使用的催化剂名称。
(iii)写出化学方程式,以显示当一氧化氮通过催化转化器时是如何从废气中去除的?
(3分)
AQA,2006
2燃烧化石燃料可产生大气污染物。
(a)石油在内燃机中燃烧可导致形成一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO)。
(i)写出辛烷(C8H18)不完全燃烧,仅产生CO和水的化学方程式。
(ii)阐述引擎中形成NO的一个重要条件,写出形成NO的化学反应方程式。
(3分)
(b)所有石油驱动的新轿车都要配置催化转化器。
(i)请列出催化转化器中用作催化剂的一种金属。
(ii)写出化学方程式,以显示CO和NO彼此之间是如何在催化转化器中反应的。
(2分)
(c)阐释为什么有时会在石油驱动的轿车尾气中发现二氧化硫。
说出二氧化硫对环境的一种负面影响。
(2分)
AQA,2004
3(a)(i)给将石油分离为各种组分的过程命名。
(ii)给出有九个碳原子的烷烃分子式。
(iii)写出烷烃
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