烷烴的物理性質及其變化

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簡介

烷烴被認為很重要，因為它們是化學工業中主要需要的關鍵原料。此外，烷烴還用作汽油和潤滑油的主要成分。烷烴最重要的性質之一是燃燒，它指的是烷烴在氧氣存在下燃燒形成二氧化碳和水作為產物的條件。

什麼是烷烴？

烷烴被稱為石蠟，它們是有機化合物，由碳原子和氫原子組成。烷烴之間存在共價鍵，顯示出樹狀結構。

圖 1：烷烴的結構

Fvasconcellos 20:06, 2008年1月8日 (UTC)。DrBob 貢獻的原始影像)。, IUPAC-烷烴-5, CC BY-SA 3.0

烷烴遵循的公式分別表示為 $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$，並具有特定於碳原子和氫原子數目的鍵數的物理和化學性質。烷烴最常見的結構是甲烷，即 $\mathrm{CH_4}$。烷烴是具有σ鍵的飽和烴。

烷烴的物理性質

物理性質是物質的特徵，易於測量和觀察，而不會改變物質的特性。對於烷烴，物理性質包括其各自的結構、溶解性、沸點和熔點，如下所示：

結構

在烷烴化合物中，存在的碳原子呈 $\mathrm{sp^3}$ 雜化狀態。它有四個σ鍵，發生在碳原子和氫原子之間。

圖 2：烷烴的電子結構

1840460mahesh，烷烴結構 3，CC BY-SA 4.0

甲烷的結構為四面體形，性質對稱。鍵角為 109.47°。

溶解度

烷烴的溶解度取決於碳原子和氫原子的鍵合。因此存在很小的電負性差異，它們具有共價鍵。烷烴是非極性的，因此在非極性溶劑中可溶。烷烴被稱為疏水性，不溶於水。

沸點

烷烴的沸點由範德華分子間力決定。這種力隨著分子尺寸的增加或“表面積”的增加而增加。

圖 3：沸點

AgnesLager，從甲烷到十九烷的烷烴沸點（攝氏度），CC BY-SA 4.0

烷烴的沸點據稱會隨著分子量的增加而增加。

圖 4：烷烴沸點的例外情況

烷烴具有直鏈，導致沸點值更高。然而，這是與烷烴觀察到的結構異構體相比而言的。

熔點

熔點與烷烴化合物中觀察到的沸點非常相似。因此，熔點隨著烷烴分子量的增加而增加。

圖 5：熔點

1840460mahesh，烷烴沸點和熔點圖，CC BY-SA 4.0

較高級別的烷烴被認為是固體，因此很難破壞分子間力。

烷烴的其他性質

烷烴的其他性質包括化學性質。化學性質包括烷烴的兩個主要特徵：燃燒和鹵化。

燃燒

燃燒過程是指氧氣與物質之間的化學反應。然而，當給予熱量和光時，該反應發生。烷烴類物質的燃燒性很高，並且在有足夠氧氣的情況下會立即進行該過程。反應表示為：

$$\mathrm{CH_4 + 2O_2\:\rightarrow\: CO_2 + 2H_2O + 能量}$$

然而，在烷烴的燃燒過程中觀察到放熱反應。因此，烷烴用於生產燃料。

鹵化

鹵化反應導致烴的衍生物的形成。這導致一個或多個鹵素原子取代氫原子。鹵化反應表示為：

$$\mathrm{CH_3-CH_3 + Br_2\:\rightarrow\:CH_3-CH_2-Br + HBr}$$

烷烴的重要性及應用

在工業方面，烷烴被認為具有很高的商業用途。烷烴的應用包括作為液化石油氣 (LPG) 的主要成分以及製造凡士林。此外，烷烴還用於噴氣燃料，並且由於其高粘度，烷烴還用作潤滑油、制蠟和製造合成聚合物。

結論

在本教程中，重點放在理解烷烴化合物的性質。這不僅包括物理性質，還包括化學性質。討論了烷烴的結構，顯示出四面體結構，並且在其碳原子和氫原子之間具有σ鍵。

常見問題解答

Q1. 烷烴觀察到的性質是什麼？

A1. 烷烴被稱為烴類中最簡單的。這些化合物含有碳和氫，由碳-氫鍵和碳-碳鍵組成。這些化合物被認為反應性非常低，並且具有非常低的生物活性。此外，烷烴是獨特的，因為它們無色且無味。

Q2. 較高級別烷烴的物理狀態是什麼？

A2. 較高級別烷烴通常在字面上被理解為僅意味著烷烴具有更多的碳原子。另一個定義指出，較高級別烷烴被認為是正烷烴。這些正烷烴在自然條件下被認為是固體。

Q3. 發現了哪些不同型別的烷烴？

A3. 在化學領域，主要發現了三種類型的烷烴，包括直鏈烷烴、支鏈烷烴和環烷烴。