什么是烃？
烃 (Hydrocarbons) 是仅由碳 (C) 和氢 (H) 两种元素组成的有机化合物。它们是最简单的有机分子，构成了整个有机化学的基础框架。从天然气到原油，几乎所有化石燃料的主要成分都是烃类。
根据碳碳键的类型，烃可分为三大类：
- 烷烃 (Alkanes) — 仅含碳碳单键（饱和烃）
- 烯烃 (Alkenes) — 含至少一个碳碳双键（不饱和烃）
- 炔烃 (Alkynes) — 含至少一个碳碳三键（不饱和烃）
学习目标：
- 区分烷烃、烯烃和炔烃的结构与性质差异。
- 运用 IUPAC 命名规则为简单烃类命名。
- 解释同系列中物理性质随碳链长度的变化趋势。
- 描述每类烃的关键反应及其机理。
- 运用马氏规则预测不对称烯烃的加成产物。
烷烃：饱和烃
通式：
烷烃中每个碳原子以四个 σ 键与相邻原子连接，所有碳碳键均为单键。由于碳上的成键位置已全部被占满，无法再接受更多原子，因此烷烃被称为饱和烃 (Saturated Hydrocarbons)。
前六个烷烃
| 名称 | 分子式 | 碳原子数 | 状态 (25°C) |
|---|---|---|---|
| 甲烷 (Methane) | 1 | 气体 | |
| 乙烷 (Ethane) | 2 | 气体 | |
| 丙烷 (Propane) | 3 | 气体 | |
| 丁烷 (Butane) | 4 | 气体 | |
| 戊烷 (Pentane) | 5 | 液体 | |
| 己烷 (Hexane) | 6 | 液体 |
物理性质趋势
碳链越长：
| 性质 | 趋势 | 原因 |
|---|---|---|
| 沸点 | 升高 | 电子数增多 → 伦敦色散力增强 → 需要更多能量克服分子间作用力 |
| 粘度 | 增大 | 长链分子之间更容易缠绕纠结 |
| 可燃性 | 降低 | 较难气化 → 较难点燃 |
支链效应：相同碳原子数的异构体中，支链越多 → 分子越接近球形 → 接触面积减小 → 伦敦色散力减弱 → 沸点降低。例如：正丁烷沸点 (−0.5°C) > 2-甲基丙烷沸点 (−11.7°C)。
关键反应
1. 燃烧反应
完全燃烧（氧气充足）：
不完全燃烧（氧气不足）：
（不完全燃烧产生有毒的一氧化碳 CO，这是封闭空间使用燃气时的安全隐患来源。）
2. 自由基取代反应（紫外光下与卤素反应）
该反应通过自由基机理进行，分三个阶段：
- 引发 (Initiation)：（UV 光使 Cl-Cl 均裂产生自由基）
- 传播 (Propagation)：，然后 （自由基被消耗又被再生）
- 终止 (Termination)：两个自由基相遇结合，如
烯烃：不饱和烃
通式：
烯烃含至少一个碳碳双键 ()。双键由一个 σ 键和一个 π 键组成。π 键中的高电子云密度使烯烃成为亲电加成反应的理想底物，反应活性远高于烷烃。
不饱和的本质
所谓"不饱和"是指双键可以"打开"以接受新的原子——这是加成反应的基础。相比之下，烷烃所有碳碳键均为单键，已无法容纳更多原子，因此称为"饱和"。
关键反应
| 反应类型 | 试剂 | 产物 | 反应类型 |
|---|---|---|---|
| 加氢 | + Ni 催化剂 | 烷烃 | 加成 |
| 卤化 | 二卤代烷 | 加成 | |
| 水合 | + 酸催化剂 | 醇 | 加成 |
| 卤化氢加成 | 卤代烷 | 加成 | |
| 聚合 | 高温高压 | 聚烯烃 | 加成聚合 |
溴水检验：将橙色溴水加入被测物。烯烃使溴水褪色（发生加成反应），烷烃不褪色。这是区分饱和与不饱和烃的标准实验方法。
顺反异构 (Geometric / cis-trans Isomerism)
由于双键限制了自由旋转，烯烃可以存在顺反异构体：
- 顺式 (cis-)：相同基团位于双键两侧碳的同侧
- 反式 (trans-)：相同基团位于双键两侧碳的两侧
产生顺反异构的条件：双键两端的每个碳必须连接两个不同的基团。
炔烃：三键烃
通式：
炔烃含至少一个碳碳三键 ()，由 1 个 σ 键和 2 个 π 键组成。炔烃是最不饱和的烃类，可以发生两次加成反应。
| 名称 | 分子式 | 沸点 |
|---|---|---|
| 乙炔 (Ethyne / Acetylene) | −84°C | |
| 丙炔 (Propyne) | −23°C | |
| 丁炔 (Butyne) | 8°C |
三类烃的系统对比
| 特征 | 烷烃 | 烯烃 | 炔烃 |
|---|---|---|---|
| 通式 | |||
| 碳碳键 | 单键 C–C | 双键 C=C | 三键 C≡C |
| 饱和度 | 饱和 | 不饱和 | 不饱和 |
| 碳原子杂化 | |||
| 键角 | |||
| 主要反应类型 | 燃烧、自由基取代 | 亲电加成 | 加成 |
| 溴水检验 | 不褪色 | 褪色 | 褪色 |
IUPAC 命名规则
四步命名法
- 找出最长的连续碳链——确定母体名称（甲 meth-、乙 eth-、丙 prop-、丁 but-、戊 pent-、己 hex-...）。
- 确定最高优先级官能团——确定词尾（-烷/-ane、-烯/-ene、-炔/-yne）。
- 编号使官能团获得最小编号。
- 命名取代基（如甲基、乙基），用编号标明位置。
命名示例
- → 丙烷 (Propane)（3 碳，全单键）
- → 丙-1-烯 (Prop-1-ene)（3 碳，双键在 1 号位）
- → 2-甲基丙烷 (2-Methylpropane)（3 碳主链 + 2 号位甲基支链）
典型例题
例题 1：画出 的所有结构异构体
满足烷烃通式 （n=4），存在两种结构异构体：
- 正丁烷：（直链）
- 2-甲基丙烷：（支链）
注意：将同一分子旋转或翻转后得到的结构不算新的异构体。
例题 2：丙烯与 HBr 的产物预测
根据马氏规则 (Markovnikov's Rule)——当 与不对称烯烃发生加成时，H 原子加到已有更多 H 原子的碳上（即生成更稳定的碳正离子中间体）：
主要产物：2-溴丙烷。
例题 3：燃烧计算
题目：计算完全燃烧 1 mol 己烷所需的 体积（STP 下 1 mol 气体 = 24 dm³）。
步骤 1：配平燃烧方程式：
步骤 2：1 mol 己烷需要 mol
步骤 3：
常见错误
- 混淆"饱和"与"不饱和" —— 饱和指所有碳碳键均为单键（烷烃）。不饱和指含有双键或三键（烯烃、炔烃）。这与氢原子数目无直接关系。
- 画出重复的异构体 —— 将分子旋转后误认为新异构体是最常见的错误。始终检查：原子间的连接方式是否真正不同？
- 忘记马氏规则 —— 不对称加成时，H 加到 H 更多的碳上（形成更稳定的碳正离子）。
- 燃烧方程式不配平 —— 大分子烷烃（如己烷、辛烷）的 系数容易计算错误。配平顺序：先配 C，再配 H，最后配 O。
- 在 VSEPR 中将双键当作两个域计数 —— 双键在分子形状预测中算作一个电子域，不是两个。
考试技巧（高考 / AP / IB / A-Level）
- 溴水检验是区分烷烃和烯烃的标准方法——答题时必须描述现象（"橙色褪色"vs"不褪色"）。
- 命名时先找最长碳链——切勿假设碳链是从左到右排列的。
- 区分亲电加成（烯烃，π 键提供电子被亲电试剂攻击）和自由基取代（烷烃，UV 光引发均裂）——两者的机理完全不同。
- 燃烧计算中，务必先配平方程式，再进行摩尔计算。
常见问题
饱和与不饱和有什么区别？
饱和烃（烷烃）仅含碳碳单键，已容纳了最大数量的氢原子。不饱和烃（烯烃、炔烃）含有双键或三键，可以通过加成反应"打开"多键以接受新原子。
为什么烷烃的反应活性低？
烷烃仅包含强的、非极性的 C–C 和 C–H 键。这些键难以断裂，且分子中没有高电子密度区域可以吸引亲电试剂。烷烃主要通过 UV 光引发的自由基取代反应发生化学变化。
什么是溴水检验？
向被测物质中加入橙色溴水 ()。若颜色褪去（脱色），表明物质含有 双键（烯烃）。若橙色保持不变，则为饱和烃（烷烃）。
为什么沸点随碳链增长而升高？
碳链越长 → 电子数越多 → 分子表面积越大 → 伦敦色散力越强 → 需要更多能量克服分子间作用力 → 沸点升高。