有机化学基础（烃）

概念导入：从身边的“碳氢”说起

我们每天用的天然气（主要成分甲烷）、汽车用的汽油（含多种烃类）、食品包装袋（聚乙烯塑料）……这些看似不同的物质，其实都只由碳（C）和氢（H）两种元素组成。化学上把这一类有机化合物称为烃（音tīng）。

烃是有机化学的基石——后续学习的醇、醛、酸、酯等所有含氧衍生物，都可以看作烃分子中的氢原子被其他原子或原子团取代后得到的产物。所以，学好烃就抓住了有机化学的半壁江山。

核心讲解：烃的分类与结构特点

1. 烃的定义与分类

烃是仅含碳和氢两种元素的有机化合物。根据碳原子间连接方式的不同，烃可以分为三大类：

• 饱和烃（烷烃）：碳原子之间全部以单键相连，其余价键被氢饱和。通式：$\mathrm{C_nH_{2n+2}}$（n≥1）。代表物：甲烷（CH₄）。
• 不饱和烃：碳原子间含双键或三键。包括烯烃（通式 $\mathrm{C_nH_{2n}}$，n≥2，代表物乙烯）和炔烃（通式 $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$，n≥2，代表物乙炔）。
• 芳香烃：分子中含苯环结构，通式较复杂，最简为 $\mathrm{C_nH_{2n-6}}$（n≥6），代表物苯（C₆H₆）。

2. 烷烃——饱和烃

烷烃中每个碳原子都形成4个单键，呈正四面体构型。碳链可以是直链或带支链。随着碳原子数增加，烷烃的熔沸点逐渐升高，常温下从气态（C1~C4）到液态（C5~C16）再到固态（C17以上）。

命名规则：根据碳原子数称为“某烷”，例如CH₄甲烷、C₂H₆乙烷、C₃H₈丙烷、C₄H₁₀丁烷……若含支链，需找出最长碳链为主链，编号使支链位次最小。

化学性质：

• 稳定性：常温下不与强酸、强碱、强氧化剂反应（不能使酸性KMnO₄褪色）。
• 取代反应：在光照条件下与卤素（如Cl₂）发生取代，生成卤代烃和卤化氢。反应是分步进行的，产物通常为混合物。
• 燃烧：完全燃烧生成CO₂和H₂O，反应通式：$\mathrm{C_nH_{2n+2} + (\frac{3n+1}{2})O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} nCO_2 + (n+1)H_2O}$。

3. 烯烃——含碳碳双键的不饱和烃

烯烃分子中至少含一个C=C双键，双键碳原子采用sp²杂化，键角约120°，形成平面结构。最简单的烯烃是乙烯（C₂H₄）。

化学性质：

• 加成反应：双键易断裂，可与H₂、X₂、HX、H₂O等发生加成。例如乙烯使溴水褪色：$\mathrm{CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2BrCH_2Br}$（1,2-二溴乙烷）。
• 加聚反应：乙烯在一定条件下发生加聚反应生成聚乙烯：$n\mathrm{CH_2=CH_2 \xrightarrow{\text{催化剂}} [-CH_2-CH_2-]_n}$。
• 氧化反应：烯烃易被酸性KMnO₄氧化（使KMnO₄褪色），可用于鉴别烯烃与烷烃。

4. 炔烃——含碳碳三键的不饱和烃

炔烃含C≡C三键，碳原子sp杂化，键角180°，呈直线结构。代表物乙炔（C₂H₂），俗称电石气。

化学性质：

• 加成反应：三键能发生两步加成，例如乙炔与Br₂先得二溴代物，再得四溴代物：$\mathrm{HC≡CH + Br_2 \rightarrow CHBr=CHBr}$；$\mathrm{CHBr=CHBr + Br_2 \rightarrow CHBr_2CHBr_2}$。
• 银氨溶液反应：端基炔（三键在末端的炔烃）可被银氨溶液氧化，生成白色沉淀（用于鉴别）。
• 乙炔燃烧火焰明亮，可用于焊接。

5. 芳香烃——含苯环的烃

苯环是平面正六边形结构，碳碳键介于单双键之间（大π键），因此苯既难加成又难氧化，但易发生取代反应。

典型反应：

• 硝化反应（浓HNO₃ + 浓H₂SO₄，50~60℃）：$\mathrm{C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5NO_2 + H_2O}$（硝基苯）。
• 卤代反应（FeBr₃催化）：$\mathrm{C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr}$（溴苯）。
• 加成反应（在催化剂和高温高压下，苯可加氢生成环己烷）。

常见误区

• 误区1：认为烷烃的取代反应产物单一。实际上，取代反应是逐步进行的，例如甲烷与氯气在光照下会生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等混合物。
• 误区2：混淆烯烃使溴水褪色和使酸性KMnO₄褪色的原理。前者是加成反应（双键断裂），后者是氧化反应（双键碳被氧化）。
• 误区3：认为苯环中仍存在典型的单双键交替。实际上苯环中六个碳碳键完全等同，是介于单键和双键之间的特殊键，因此苯不能像烯烃那样使KMnO₄褪色。

学习建议

• 牢记通式：烷C_nH_{2n+2}，烯C_nH_{2n}，炔C_nH_{2n-2}，苯及同系物C_nH_{2n-6}（n≥6）。这是解题的“钥匙”。
• 理解结构决定性质：单键稳定→取代；双键不饱和→加成；三键更不饱和→可两步加成；苯环大π键→易取代难加成。
• 多写结构简式：从C₂到C₆的烷烃、烯烃、炔烃的同分异构体，熟练书写和命名。

知识链接

烃是后续学习卤代烃、醇、醛、羧酸的基础。例如：烷烃的取代产物卤代烃可发生消去反应生成烯烃；烯烃加水得到醇；醇氧化得醛，再氧化得酸。掌握烃的转化关系，就能建立有机合成的基本网络。

习题自测

1. 写出分子式为C₅H₁₂的所有同分异构体的结构简式，并用系统命名法命名。
2. 以下反应中，属于加成反应的是（ ）。
   A. CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
   B. CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH
   C. C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O
   D. C₂H₆ + 7/2 O₂ → 2CO₂ + 3H₂O
3. 0.2 mol某烃完全燃烧后生成0.8 mol CO₂和0.6 mol H₂O，求该烃的分子式，并写出可能的结构简式（若为烯烃，需标明双键位置）。

参考答案：

1. 三种同分异构体：正戊烷（CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃）、异戊烷（2-甲基丁烷）、新戊烷（2,2-二甲基丙烷）。结构简式略。
2. B（乙烯水化生成乙醇是加成反应；A是取代；C是取代；D是氧化）
3. n(C):n(H)=0.8:1.2=2:3，实验式为C₂H₃，式量27。0.2 mol烃质量？题中未给质量或其他数据，无法直接求分子式。但可根据燃烧产物推导：C₄H₆符合0.8mol CO₂和0.6mol H₂O（因为0.2mol C₄H₆生成0.8mol CO₂和0.6mol H₂O），分子式C₄H₆，不饱和度为2，可能为二烯烃或炔烃。结构简式如CH₂=CH-CH=CH₂（1,3-丁二烯）或CH₃C≡CCH₃（2-丁炔）。