HSC 化学:烷烃、烯烃与炔烃的分子式

学习如何辨认烷烃、烯烃和炔烃、建构分子模型,以及写出碳原子数目不超过 8 个的碳氢化合物之结构式与分子式。

想像三个分子模型。每个模型都有六个碳原子连成一条链。第一个模型只有碳-碳单键。第二个模型有一个双键。第三个模型则有一个三键。

在开始计算之前,先预测哪个模型含有最多氢原子。

答案是第一个模型。六碳烷烃的分子式为 \(\ce{C6H14}\)。如果将一个碳-碳单键改成双键,分子式就会变成 \(\ce{C6H12}\)。如果改成三键,分子式则会变成 \(\ce{C6H10}\)。

碳原子的数目并没有改变。改变的是碳原子有多少个成键位置用来与其他碳原子成键。这个简单的概念,是在不必死记数十种不同分子式的情况下,辨认烷烃、烯烃和炔烃的关键。

己烷、己-1-烯和己-1-炔的结构比较。每种化合物均含有六个碳原子,并显示所有氢原子及其分子式:C6H14、C6H12 和 C6H10。
碳-碳键的键级愈高,可供氢原子成键的位置就愈少:C₆H₁₄ → C₆H₁₂ → C₆H₁₀。

01从碳的四键规则开始

建立碳氢化合物模型时,有两个事实最为重要:

  • 碳形成四个键,
  • 氢形成一个键。

单键代表两个原子之间的一个键。双键代表两个键,三键则代表三个键。

你可以把每个碳原子想像成有四个成键位置。碳原子对这项规则相当严格。如果它用三个位置与另一个碳原子形成三键,就只剩下一个位置可以与其他原子成键。

这个比喻有助于计算,但并不是化学键的精确图像。双键并非真的由两根独立的小棍组成,三键也不是由三个完全相同且彼此独立的键组成。然而,在 HSC 的模型建构中,以这种方式计算键级,能正确反映碳的化合价。

以乙烷为例:

\[ \ce{CH3-CH3} \]

每个碳原子都有一个 C-C 键和三个 C-H 键,因此每个碳原子周围共有四个键。

现在比较乙烯:

\[ \ce{CH2=CH2} \]

每个碳原子已经在 C=C 双键中使用了两个成键位置,因此只剩下两个位置可与氢原子成键。

接著看乙炔:

\[ \ce{HC\bond{#}CH} \]

每个碳原子在 C≡C 三键中使用了三个成键位置,因此只剩下足够容纳一个氢原子的位置。

因此,碳-碳键的键级愈高,分子能够容纳的氢原子就愈少。

02三种同系列化合物

同系列化合物是一组具有共同结构特征和共同通式的化合物。相邻的成员相差一个 \(\ce{CH2}\) 单位。

本指南介绍的三种碳氢化合物系列如下:

系列碳原子之间的键结特征官能基或特征通式最小的成员
烷烃只有 C-C 单键没有特征官能基;所有 C-C 键都是单键\(\ce{C_nH_{2n+2}}\)甲烷,\(\ce{CH4}\)
烯烃含有一个 C=CC=C 双键\(\ce{C_nH_{2n}}\)乙烯,\(\ce{C2H4}\)
炔烃含有一个 C≡CC≡C 三键\(\ce{C_nH_{2n-2}}\)乙炔,\(\ce{C2H2}\)

这里的 \(n\) 代表碳原子的数目。

这张表中有一个重要的条件。这些通式描述的是一般的开链成员,并且符合以下条件:

  • 烷烃没有多重键,
  • 烯烃有一个 C=C 键,
  • 炔烃有一个 C≡C 键。

这个条件很重要。单靠分子式,并不一定能证明分子中存在哪些键。我们稍后会再讨论这一点。

烷烃是饱和的

开链烷烃的碳骨架所能容纳的氢原子数目达到最大值,因此称为饱和化合物。

例如,戊烷有五个碳原子:

\[ \ce{C5H12} \]

使用烷烃通式:

\[ \ce{C_nH_{2n+2}} \]

代入 \(n=5\):

\[ \ce{H}=2(5)+2=12 \]

因此,分子式为 \(\ce{C5H12}\)。

烯烃和炔烃是不饱和的

烯烃含有 C=C 键,炔烃则含有 C≡C 键。因此,两者的氢原子数目都比具有相同碳原子数目的相应烷烃少。

以五个碳原子为例:

\[ \begin{aligned} \text{烷烃: } &\ce{C5H12}\\ \text{烯烃: } &\ce{C5H10}\\ \text{炔烃: } &\ce{C5H8} \end{aligned} \]

请留意这个规律。从烷烃变成烯烃,分子式中的氢原子数目减少两个。从烯烃变成炔烃,氢原子数目又再减少两个。

这并不是一条反应方程式,而是比较具有相同碳原子数目的不同结构。

03为甚么通式成立

从一个开链烷烃开始:

\[ \ce{C_nH_{2n+2}} \]

现在,假设将一个 C-C 单键改成 C=C 双键。

两个碳原子都必须维持各自的四个键。增加一个碳-碳键的键级,便会在整个分子中取代两个 C-H 键:两个碳原子各少一个 C-H 键。

因此,烯烃的氢原子数目比相应的烷烃少两个:

\[ \ce{C_nH_{2n}} \]

如果再将同一个连接位置的双键改成三键,就会再减少两个 C-H 成键位置。

结果便是:

\[ \ce{C_nH_{2n-2}} \]

这让我们可以比较具有相同碳原子数目的化合物:

系列氢原子数目
烷烃\(2n+2\)
烯烃\(2n\)
炔烃\(2n-2\)

如果你在考试中忘记其中一个通式,应根据四键规则重新推导,而不是猜测。

04C1 至 C8 的碳原子字首

碳氢化合物名称的开头部分会告诉你主链中有多少个碳原子。

碳原子数目字首
1meth-
2eth-
3prop-
4but-
5pent-
6hex-
7hept-
8oct-

名称的结尾则表示所属系列:

  • -ane 表示烷烃,
  • -ene 表示烯烃,
  • -yne 表示炔烃。

例如,hex- 表示有六个碳原子。因此:

  • hexane 是含有六个碳原子的烷烃,
  • hexene 是含有六个碳原子的烯烃,
  • hexyne 是含有六个碳原子的炔烃。

对于烯烃和炔烃,名称通常也会指出多重键开始的位置。Hex-2-ene 的 C=C 键位于碳原子 2 和碳原子 3 之间。

05C8 以内的分子式

只要你能运用通式,就不需要把整张表背下来。这张表更适合用来检查规律是否正确。

C 原子数目烷烃烯烃炔烃
1\(\ce{CH4}\)––
2\(\ce{C2H6}\)\(\ce{C2H4}\)\(\ce{C2H2}\)
3\(\ce{C3H8}\)\(\ce{C3H6}\)\(\ce{C3H4}\)
4\(\ce{C4H10}\)\(\ce{C4H8}\)\(\ce{C4H6}\)
5\(\ce{C5H12}\)\(\ce{C5H10}\)\(\ce{C5H8}\)
6\(\ce{C6H14}\)\(\ce{C6H12}\)\(\ce{C6H10}\)
7\(\ce{C7H16}\)\(\ce{C7H14}\)\(\ce{C7H12}\)
8\(\ce{C8H18}\)\(\ce{C8H16}\)\(\ce{C8H14}\)

不存在只有一个碳原子的烯烃或炔烃。双键或三键显然至少需要两个碳原子。

纵向的规律也很重要。在同系列化合物中,每往下一列,分子式便增加一个 \(\ce{CH2}\)。

例如:

\[ \ce{C5H10 -> C6H12 -> C7H14 -> C8H16} \]

这些是烯烃系列中连续成员的分子式。

06分子式与结构式

分子式告诉你分子中有多少个原子。

例如:

\[ \ce{C4H8} \]

表示该分子含有四个碳原子和八个氢原子。

但它并没有告诉你这些原子如何连接。

结构式会显示原子的键结排列。丁-1-烯的缩写结构式为:

\[ \ce{CH2=CH-CH2-CH3} \]

丁-2-烯具有相同的分子式:

\[ \ce{CH3-CH=CH-CH3} \]

两者的分子式都是 \(\ce{C4H8}\),但 C=C 键的位置不同。

因此,不应把「分子式」和「结构式」当作意思相同的术语。

07建立碳氢化合物模型的可靠方法

当你拿到一个化合物名称,或被要求建立模型时,每次都按照相同的顺序操作。

首先,放置所需数目的碳原子。如果你要建立辛烷模型,就需要八个碳原子。

接著,连接碳骨架。

然后,加入所需的多重键。例如,对于辛-3-炔,三键从碳原子 3 开始:

\[ \ce{C-C-C\bond{#}C-C-C-C-C} \]

只有在碳骨架正确后,才加入氢原子。

对每个碳原子,问自己:

这个碳原子还需要多少个键,才能达到四个键?

与其死记每个碳原子「应该」有多少个氢原子,这个问题更可靠。

例题:写出戊-2-烯的分子式

某种碳氢化合物有五个碳原子,形成直链,并且在碳原子 2 和碳原子 3 之间有一个 C=C 键。写出它的缩写结构式和分子式。

步骤 1

字首 pent- 告诉我们有五个碳原子。

步骤 2

2-ene 表示 C=C 键从碳原子 2 开始:

\[ \ce{C-C=C-C-C} \]

步骤 3

得到:

\[ \ce{CH3-CH=CH-CH2-CH3} \]

检查两个形成双键的碳原子。每个碳原子都有一个 C-C 单键、一个 C=C 双键,以及一个 C-H 键。其键数总和为四。

步骤 4

共有五个碳原子,以及:

\[ 3+1+1+2+3=10 \]

个氢原子。

因此,分子式为:

\[ \ce{C5H10} \]

步骤 5

烯烃的通式为 \(\ce{C_nH_{2n}}\)。当 \(n=5\) 时:

\[ \ce{H}=2(5)=10 \]

计算结果一致。因此,戊-2-烯是一种分子式为 \(\ce{C5H10}\) 的烯烃。

例题:建构辛-3-炔

为辛-3-炔写出缩写结构式,确定其分子式,并解释为甚么形成三键的碳原子具有这样的氢原子数目。

步骤 1

Oct- 表示有八个碳原子。

步骤 2

3-yne 表示三键从碳原子 3 开始,因此三键位于碳原子 3 和碳原子 4 之间:

\[ \ce{C-C-C\bond{#}C-C-C-C-C} \]

步骤 3

缩写结构式为:

\[ \ce{CH3-CH2-C\bond{#}C-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

请注意,碳原子 3 和碳原子 4 都没有氢原子。

这两个碳原子都已经与另一个碳原子形成三键,并与碳链中的下一个碳原子形成单键:

\[ 3+1=4 \]

其化合价已经完整。

步骤 4

\[ 3+2+0+0+2+2+2+3=14 \]

因此,分子式为:

\[ \ce{C8H14} \]

步骤 5

炔烃的通式为:

\[ \ce{C_nH_{2n-2}} \]

当 \(n=8\) 时:

\[ 2(8)-2=14 \]

因此,\(\ce{C8H14}\) 是正确的。

重点不只是答案。三键会使用碳原子四个成键位置中的三个,因此,当内部的三键碳原子利用剩下的一个键与另一个碳原子连接时,它可以完全不带氢原子。

08最容易犯的错误

错误 1:双键代表更多氢原子

看到双键时,很容易想到「键更多,所以原子可能也更多」。

实际情况恰好相反。

双键表示两个碳原子之间使用了更多成键位置。这使可供氢原子使用的成键位置减少。

以四个碳原子为例:

\[ \begin{aligned} \text{丁烷} &: \ce{C4H10}\\ \text{丁烯} &: \ce{C4H8}\\ \text{丁炔} &: \ce{C4H6} \end{aligned} \]

碳-碳键的键级愈高,氢原子就愈少。

错误 2:通式会告诉你确切的结构

假设题目给你 \(\ce{C6H12}\)。

在基本同系列化合物题目所使用的开链烷烃、烯烃和炔烃这个受限范围内,它符合烯烃的通式 \(\ce{C_nH_{2n}}\)。

但这并不能告诉你其结构究竟是己-1-烯、己-2-烯、另一种烯烃异构体,还是在这个受限范围之外,具有相同分子式的另一类化合物。

通式能辨认分子式的规律,但不能代替你画出分子结构。

错误 3:数算基团而不是碳原子

考虑:

\[ \ce{CH3-CH2-CH=CH-CH3} \]

这里有五个碳原子,而不是四个。每个 C 都代表一个碳原子,包括每个 \(\ce{CH3}\)、\(\ce{CH2}\) 或 \(\ce{CH}\) 基团中的碳原子。

如果不确定,就先数算 C 符号。

错误 4:每个碳原子都连接四个原子

碳形成四个键,但这不代表它必须与四个不同的原子形成四个键。

在 C=C 双键中,另一个碳原子贡献两个键单位。

在 C≡C 三键中,另一个碳原子贡献三个键单位。

因此,炔烃中的碳原子即使只与两个原子相连,其化合价仍然可以是四。

09题目与解答

题目 1

己烷是一种含有六个碳原子的非支链烷烃。

写出:

a. 它的分子式,

b. 它的缩写结构式,

c. 你用来核对答案的通式。

解答 1

己烷的分子式为 \(\ce{C6H14}\),缩写结构式为 \(\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3}\)。

烷烃的通式为:

\[ \ce{C_nH_{2n+2}} \]

当 \(n=6\) 时:

\[ 2(6)+2=14 \]

因此,分子式为:

\[ \ce{C6H14} \]

缩写结构中,两端的碳原子各属于一个 \(\ce{CH3}\) 基团,四个内部碳原子则各属于一个 \(\ce{CH2}\) 基团:

\[ 3+2+2+2+2+3=14 \]

个氢原子。

常见的错误是使用 \(\ce{C_nH_{2n}}\),但这是含有一个 C=C 键的开链烯烃的通式。己烷只有单键,因此是饱和化合物。

题目 2

一种直链碳氢化合物含有六个碳原子。模型显示碳原子 3 和碳原子 4 之间有一个双键,且没有其他多重键。

确定:

a. 它的名称,

b. 它的缩写结构式,

c. 它的分子式,

d. 它的氢原子数目与己烷相比有何不同。

解答 2

这种化合物是己-3-烯,缩写结构式为 \(\ce{CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH3}\),分子式为 \(\ce{C6H12}\)。它比己烷少两个氢原子。

六碳链对应字首 hex-。双键从碳原子 3 开始,因此名称是己-3-烯。

补足碳的化合价后,得到:

\[ \ce{CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH3} \]

氢原子数目为:

\[ 3+2+1+1+2+3=12 \]

因此:

\[ \ce{C6H12} \]

烯烃通式也能确认这个结果:

\[ \ce{C_nH_{2n}} \]

当 \(n=6\) 时:

\[ 2(6)=12 \]

己烷的分子式是 \(\ce{C6H14}\)。C=C 键提高了两个碳原子之间的键级,因此整个分子能形成的 C-H 键总数减少两个。

常见的错误是正确数出六个碳原子,却仍然使用烷烃通式。双键会改变允许存在的氢原子数目。

题目 3

一种未知的开链碳氢化合物 \(X\) 属于本指南介绍的三种系列之一,其分子式为 \(\ce{C7H12}\)。

a. 判断它属于哪个同系列化合物系列。

b. 写出两个符合该分子式的不同直链缩写结构式。

c. 解释为甚么单靠 \(\ce{C7H12}\) 无法判断实际存在的是哪一种结构。

解答 3

在题目指定的三种系列范围内,该化合物是炔烃。两种可能的结构是庚-1-炔和庚-2-炔,而单靠分子式无法区分三键的位置。

对于七个碳原子,比较预测的氢原子数目:

\[ \begin{aligned} \text{烷烃: } &2(7)+2=16\\ \text{烯烃: } &2(7)=14\\ \text{炔烃: } &2(7)-2=12 \end{aligned} \]

观察到的分子式是 \(\ce{C7H12}\),因此符合炔烃系列。

其中一种可能的结构是庚-1-炔:

\[ \ce{HC\bond{#}C-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

另一种是庚-2-炔:

\[ \ce{CH3-C\bond{#}C-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

两者都含有七个碳原子和十二个氢原子。

容易犯的错误是认为,只要辨认出同系列化合物,就等于已经确定其结构。事实并非如此。分子式告诉我们原子的数目,而结构式则告诉我们原子之间的连接方式。

移动三键的位置会改变结构,但不会改变分子式。

题目 4

一名学生想把己-1-烯的模型

\[ \ce{CH2=CH-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

改成己-1-炔的模型。

他把 C=C 键换成 C≡C 键,却将每个氢原子保留在原来的位置,得到以下假设结构:

\[ \ce{CH2\bond{#}CH-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

另一名学生说:「它仍然有六个碳原子,所以应该没有问题。」

分析这个假设模型。指出所有违反化合价规则的地方,建构正确的己-1-炔结构,确定其分子式,并准确解释为甚么氢原子数目会改变。

解答 4

这个假设模型不可能成立,因为前两个碳原子都会超出碳的四价。正确的己-1-炔结构是 \(\ce{HC\bond{#}C-CH2-CH2-CH2-CH3}\),分子式为 \(\ce{C6H10}\)。

考虑错误模型中的碳原子 1:

\[ \ce{CH2\bond{#}C} \]

三键已经贡献三个键单位。两个 C-H 键还会再贡献两个:

\[ 3+2=5 \]

碳原子将会有五个键,这在一般碳氢化合物的模型中是不允许的。

碳原子 2 也有相同的问题,只是具体情况略有不同。它具有:

  • 与碳原子 1 形成的三键,贡献三个键单位,
  • 与碳原子 3 形成的单键,贡献一个键单位,
  • 一个 C-H 键,贡献一个键单位。

因此:

\[ 3+1+1=5 \]

同样超过四个键。

正确的结构是:

\[ \ce{HC\bond{#}C-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

现在,碳原子 1 有一个三键和一个 C-H 键:

\[ 3+1=4 \]

碳原子 2 有一个三键和一个 C-C 单键:

\[ 3+1=4 \]

因此,碳原子 2 不带氢原子。

计算氢原子数目:

\[ 1+0+2+2+2+3=10 \]

所以分子式为:

\[ \ce{C6H10} \]

这也符合炔烃通式:

\[ 2(6)-2=10 \]

己-1-烯的分子式是 \(\ce{C6H12}\),而己-1-炔的分子式是 \(\ce{C6H10}\)。将 C=C 双键改成 C≡C 三键,会使两个碳原子各多使用一个成键位置。因此,在炔烃模型中必须少两个 C-H 键。

第二名学生的论点只著眼于碳原子的数目,这并不足够。有效的分子模型必须同时符合原子数目和每个碳原子的成键能力。

题目 5

一种未知的碳氢化合物 \(X\) 的分子式为 \(\ce{C8H14}\)。

一名学生提出以下论点:

因为 \(\ce{C8H14}\) 符合 \(\ce{C_nH_{2n-2}}\),所以 \(X\) 必定含有碳-碳三键。

分两个阶段分析这个论点。

a. 首先,假设已知 \(X\) 确实属于本指南所研究的三种开链同系列化合物之一:烷烃、含有一个 C=C 键的烯烃,或含有一个 C≡C 键的炔烃。判断它所属的系列,并写出一个可能的缩写结构式。

b. 现在取消这项限制。运用碳的四键规则,建构一种含有八个碳原子、分子式为 \(\ce{C8H14}\),但不含三键的开链碳氢化合物。

c. 准确解释分子式能证明甚么、不能证明甚么,以及需要哪些额外的结构资讯才能判定该学生的论点是否成立。

解答 5

在限定为三种系列之一的假设下,\(X\) 是炔烃;如果没有这项假设,单靠 \(\ce{C8H14}\) 并不能证明其中存在三键。

对于 a,将 \(n=8\) 代入三种通式进行检验:

\[ \begin{aligned} \text{烷烃:}&2(8)+2=18\\ \text{烯烃:}&2(8)=16\\ \text{炔烃:}&2(8)-2=14 \end{aligned} \]

只有炔烃的算式会得出十四个氢原子。在这个受限范围内,\(X\) 因此必定是炔烃。

其中一种可能的结构是辛-1-炔:

\[ \ce{HC\bond{#}C-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

其氢原子数目为:

\[ 1+0+2+2+2+2+2+3=14 \]

因此,其分子式为 \(\ce{C8H14}\)。

然而,对于 b,我们不再假设分子最多只含有一个多重键。考虑以下结构:

\[ \ce{CH2=CH-CH=CH-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

这个分子含有两个 C=C 双键,但不含 C≡C 三键。

计算其氢原子数目:

\[ 2+1+1+1+2+2+2+3=14 \]

因此,它的分子式同样是:

\[ \ce{C8H14} \]

其中每个碳原子仍然符合四键规则。

这就是关键所在。通式 \(\ce{C_nH_{2n-2}}\) 是含有一个三键的开链炔烃同系列化合物的通式。但是,符合相同的原子数目,并不等于在允许其他键结排列的情况下,已经从逻辑上证明该分子必定属于这个系列。

该学生的结论只有在假设了一项未明确说出的结构限制时才成立。

分子式能证明该分子含有八个碳原子和十四个氢原子,但不能指出这些原子如何连接,也不能证明氢原子数目减少是由一个 C≡C 键,还是由其他键结排列造成。

直接显示碳-碳连接方式的结构式、展开式或分子模型,就能解决这个问题。如果结构显示一个 C≡C 键,且没有其他多重键,便可以将该化合物分类为炔烃。

因此,最好的习惯不只是辨认 \(\ce{C_nH_{2n-2}}\),而是始终思考:哪些假设使这个通式适用?

10接下来可以学甚么

当你能够可靠地在名称、分子式和结构模型之间转换后,下一步就是比较具有相同分子式的不同结构。

这会直接引入结构异构现象。两种化合物可能含有完全相同数目的碳原子和氢原子,但双键、三键或碳支链的位置却有所不同。

这也能为你学习碳氢化合物的反应做好准备。分子式告诉你有哪些原子及其数目,而结构式则显示分子中许多化学反应发生的位置。对于烯烃和炔烃而言,这代表你需要特别留意 C=C 和 C≡C 键。