碳氢化合物定义

定义

“碳氢化合物”一词顾名思义，仅指由碳和氢组成的物质。碳氢化合物对我们的日常生活至关重要。我们必须了解的一些燃料术语，如“LPG”和“CNG”。LPG 指液化石油气，CNG 指压缩天然气。如今，“LNG”（液化天然气）一词也越来越普遍。它是通过液化天然气制成的，也是一种燃料。

汽油、柴油和煤油是在地表以下通过石油的分馏制成的。通过煤的有害蒸馏，会产生煤气。当钻探碳氢化合物井时，天然气会在上层地带被发现。压缩后的天然气称为压缩气体。LPG 是家用燃料中污染最小的。虽然煤油也用作家用燃料，但它会造成污染。汽油、石油和压缩天然气等燃料是汽车必需的。汽油和 CNG 汽车排放的烟雾较少。所有这些燃料都包含碳氢化合物混合物，而碳氢化合物是产生能量的物质。塑料（如聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯）的生产也使用碳氢化合物。较高碳氢化合物用于制造颜料溶剂。

此外，它们还用作生产多种颜色和药物的原材料。由此可见碳氢化合物对您日常生活的 M 重要性。本文将进一步介绍碳氢化合物。

碳氢化合物的类型

除醇、醛和羧酸外，最简单的有机分子是碳氢化合物，它们属于以下类别之一

1. 饱和碳氢化合物

“饱和”碳氢化合物仅在碳原子之间具有单键。它们是最容易理解的化合物。因为每个碳原子都连接了尽可能多的氢原子，所以它们被称为饱和的。换句话说，碳原子中含有过多的氢。饱和碳氢化合物是指所有碳原子都与其他四个原子键合的碳氢化合物。几乎所有饱和化合物都称为烷烃。

烷烃的形状

碳氢化合物的结构式（描绘原子如何排列）常用于说明其形状。这是因为结构式可以揭示原子的排列方式，而分子可以有不同的形状。碳氢化合物结合时可以形成链、支链链和环。

在直链分子中，所有碳原子都排列成一条直线，就像火车上的汽车一样。碳原子将分子连接在一起。而在环状结构中，每个环通常只有五个或六个碳原子。然而，环可以组合形成更大的分子。环状化合物的熔点和沸点通常高于直链和支链分子。

烯烃

在碳原子之间至少有一个双键的（仅由碳和氢组成的化合物）不饱和碳氢化合物称为烯烃。烯烃也称为油烯。由于双键，烯烃比烷烃更具反应性。

烯烃，特别是乙烯，对化学工业至关重要。原油中不含大量烯烃。相反，它们是通过裂解烷烃制成的。所有碳氢化合物（包括烯烃）在空气中燃烧时会产生二氧化碳和水。乙烯因与氧气剧烈反应而是一种不好的燃料。

炔烃

在有机化学中，碳原子之间至少有一个三键的不饱和碳氢化合物称为炔烃。炔烃与其他碳氢化合物一样，通常是疏水的。乙炔的最常见名称是“乙炔”，这是不恰当的。它是最简单的炔烃。由于连接两个碳原子的三键，每个碳原子只能连接一个氢原子。

饱和碳氢化合物的类型

根据其结构是直链、支链还是环状，饱和碳氢化合物可以属于以下组之一

烷烃：烷烃是有机物质，仅包含碳和氢原子，并通过单键连接；它们不含任何其他官能团。它们可分为直链烷烃、支链烷烃和环烷烃。它们的通用化学式为 CnH2n+2。烷烃也是饱和碳氢化合物。烷烃是最简单、反应性最差的碳氢化合物。由于它们只含有碳和氢，所以它们不与其他物质反应。

环烷烃：含有单个或多个碳环的烷烃称为环烷烃。它们在物理性质上与烷烃相似，但由于它们具有更强的伦敦力，因此它们的熔点、沸点和密度更高。

饱和碳氢化合物的用途？

• 最简单的形式是甲烷气，可用于为汽车、热水器和烤箱供暖。甲烷也用作液态火箭燃料。
• 大多数可燃燃料由饱和碳氢化合物组成。
• 汽油、石脑油、喷气燃料以及某些工业溶剂组合的主要成分是烷烃和环烷烃。
• 乙烷在某些低温制冷系统中用作冷却剂。您也可以从中制备乙烯气体。
• 丙烷用作热气球的燃料，并在某些气雾罐中用作推进剂。也用它制备一种称为丙烯的气体。

2. 不饱和碳氢化合物

不饱和碳氢化合物是有机分子，仅包含碳和氢原子，并且在相邻的两个碳原子之间具有两个或三个键。例如，丙烯和 CH3CH2CH=CH2（正丁烯）。

不饱和碳氢化合物和饱和碳氢化合物在物理性质上有很多共同点。除了芳香烃，这些类型的碳氢化合物都非常活泼，并且经常与其他化合物（包括醇、卤化氢和元素卤素）发生加成反应。

不饱和碳氢化合物的类型

• 根据所含键的类型，不饱和碳氢化合物可分为三个亚类：烯烃、炔烃和芳香烃。这是对属于不饱和碳氢化合物的各种有机分子类型进行的简要讨论。
• 具有两个相邻碳原子之间至少一个双键的碳氢化合物称为烯烃或油烯。乙烯（ethene），化学式为 C2H4，是最基本的烯烃。
• 没有官能团或取代基连接的具有单个或双键的烯烃的通用化学式为 CnH2n。
• 炔烃是一类碳氢化合物，在相邻的两个碳原子之间至少有一个三键。乙炔，化学式为 C2H2，是最简单的炔烃。其系统 IUPAC 名称为乙炔。
• 没有官能团或取代基连接的具有单个碳-碳三键的炔烃的通用名称为 CnH2n-2。
• 不饱和碳氢化合物包括环戊烯和其他环状碳氢化合物，其中至少有两个碳原子之间有一个双键或三键（C5H8）。
• 而芳香烃，即具有离域 π 电子的环状碳氢化合物，可以被认为是饱和碳氢化合物，但它们通常被称为芳香族化合物，因为它们相对稳定，并且不与任何其他此类不饱和化合物具有任何共同特征。
• 可以通过将溴水加入特定的碳氢化合物来确定它是否不饱和。如果溴水开始褪色，则该碳氢化合物是不饱和的。如果形成白色沉淀，则该碳氢化合物样品为苯酚或苯胺。应注意，苯不会改变溴水的颜色。

不饱和碳氢化合物的用途

以下是一些不同不饱和碳氢化合物分子的应用列表。

• 烯烃可用于制造芥子气，这是一种在化学战中使用的致命气体。
• 烯烃可用于人工催熟各种水果。
• 在制造塑料时，不饱和碳氢化合物是非常有用的有机物质。
• 低密度聚乙烯（LDPE）是制造购物袋所用的聚乙烯的低密度变体。
• 蛋盒、一次性杯子和其他实用物品由聚苯乙烯制成。
• 烯烃用于生产工业化合物，如酒精。
• 某些不饱和碳氢化合物用作全身麻醉剂。
• 炔烃可生产多种具有重要工业应用价值的有机化合物。

饱和与不饱和碳氢化合物

饱和碳氢化合物在碳原子之间只有单共价键，而不饱和碳氢化合物在主链中至少有一个双键或三键共价键。这是饱和和不饱和碳氢化合物的主要区别。饱和和不饱和碳氢化合物因其组成不同而具有不同的特性。

碳氢化合物示例

甲烷和丙烷是气态碳氢化合物的例子；己烷和苯是液态碳氢化合物的例子；石蜡和萘是低熔点固体或蜡的例子。

碳氢化合物家族的饱和成员尤其以惰性而闻名。然而，其他成员会发生以下三种主要反应之一

1. 取代反应

“取代反应”是指一种化学物质的一个官能团被另一个基团取代，或者一个原子或分子被另一个分子取代的反应。

取代反应的类型

取代反应有两种类型：亲核反应和亲电反应。这两种反应的主要区别在于与初始分子结合的原子类型。在亲核反应中，原子被称为富电子物种，在亲电反应中，原子被称为缺电子物种。

1. 亲核取代反应

(a) 什么是亲核试剂？

亲核试剂是紧密结合到正电荷区域的物种。它们可以是离子或分子的形式。它们被称为完全带电或分子上带有负离子。水、氢氧根离子、氨、氰化物离子和水分子是亲核试剂的典型例子。

(b) 亲核取代反应机理

这里讨论了两种亲核取代反应过程。S 表示化学取代，N 表示亲核性，数字表示反应的动力学级数。这些反应是 SN1 反应和 SN2 反应。

SN2 反应 - SN2 反应机理

在此反应中，离去基团的离去和亲核试剂的加入同时发生。SN2 发生在中心碳原子容易与亲核试剂接触的地方。

几个不同的因素会影响 SN2 反应的速率。它们如下

• SN2 中的数字 2 表示两个物质的浓度，即亲核试剂和底物，会影响反应速率。
• 上述反应的速率方程为 Rate = k [Sub][Nuc]。
• 由于它们不向溶液中添加 H+ 离子，因此丙酮、DMSO 或 DMF 等非质子溶剂非常适合 SN2 反应。
• 如果存在质子，质子会与亲核试剂反应，从而显著降低反应速率。空间效应决定了单步反应的速率。在中间步骤中，离去基团的位置发生翻转，而亲核试剂则与之呈 180°。
• 而在中间阶段，亲核试剂与离去基团的夹角为 180°，亲核性也会影响反应速率。

SN1 反应 - SN1 反应机理

几个变量也影响 SN1 反应。以下是涵盖的一些

• 底物决定反应速率，而不是两个浓度。
• 速率方程可以表示为 Rate = k[Sub]，如上所述。
• 速率决定步骤决定反应速率。因此，离去基团以特定速率离去，这有助于估算反应时间。
• 据信，离去基团越好，其共轭碱就越弱。
• 连接到碳正离子上的大基团可用于预测 SN1 反应。
• 速率决定步骤不需要亲核试剂。

2. 亲电取代反应

(a) 什么是亲电试剂？

亲电试剂参与亲电取代过程。亲电试剂是提供两个电子以形成共价键的物质。大多数亲电反应涉及芳香族分子。这些化合物含有过多的电子，可以分配给其他反应物。

(b) 亲电取代反应究竟是什么？

称为亲电取代反应的化学反应是亲电试剂取代分子中的官能团，但保持氢原子不变。例如，氢氧化物离子 (H3O+)、卤化氢（如 HCl、HBr 和 HI）、三氧化硫 (SO3)、硝酰离子 (NO2+) 等是亲电试剂的物种。

(c) 亲电取代反应的类型

在此，我们描述了两种不同类型的亲电取代过程。亲电取代反应有两种类型：

• 芳香亲电取代

在此类亲电取代中，亲电试剂取代连接在芳香环上的原子，主要是氢。芳香卤代、傅克烷基化反应、芳香硝化、芳香磺化和芳香酰化是反应。烷基化和酰基化也包含在内。

• 脂肪族亲电取代

在此类亲电取代过程中，亲电试剂取代一个官能团。

什么是加成反应的定义？

在有机化学中，加成反应最简单的定义是两个或多个反应物结合形成一个更大的单一产物的化学过程。

加成反应的解释

然而，由于通常会断裂双键或三键以形成所需的单键，因此只有具有多重键特性的化合物才能发生加成反应。

分解反应是指化学物质分解成一种或多种元素或化合物。本质上，加成反应是分解反应的对立面。考虑丙烯（一种烯烃）的氯化氢加成，它具有以下

CH3CH = CH2 + HCl → CH3C+HCH3 + Cl− → CH3CHClCH3

碳氢化合物在现实生活中的应用

1. 塑料由碳氢化合物组成

塑料对我们的日常生活至关重要。我们每天都在某种程度上使用它。塑料杯、购物袋、餐盘、容器和瓶子只是其中的一部分。塑料由聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等碳氢化合物制成。

2. 日常生活中的烷烃

我们每天都会遇到很多不同的烷烃。甲烷的利用可以发电。它通常由垃圾填埋场的家用和商业垃圾制成，微生物分解这些垃圾会释放甲烷气体。然后，将其用于发电。

3. 燃烧

碳氢化合物燃烧时会产生热源和电能。它可以用作天然气或石油的家用加热器。碳氢化合物在有氧气的情况下燃烧会产生热量、二氧化碳和蒸汽。

丁烷用于气雾罐，而己烷和其他烷烃（包括庚烷、辛烷和癸烷）则用于鞋子和皮革制品的粘合剂。汽油用作燃料。