HSC 化学：烷烃、烯烃与炔烃的分子式

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。

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：

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：

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。

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。

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。

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。