HSC 化學:飽和烴的鹵素取代反應

學習飽和烴如何透過取代反應與氯和溴反應,包括所需的紫外線條件、配平方程式、產物預測,以及 HSC 類型的例題解析。

一瓶氯氣和一瓶甲烷即使一起放在黑暗中,也幾乎不會發生任何反應。然而,只要用紫外線照射混合物,甲烷便會開始轉變成氯甲烷。奇怪的是,甲烷並沒有可以打開的雙鍵。那麼,氯究竟去了哪裡?

在繼續閱讀之前,先預測一下產物。氯是以額外的原子形式接到甲烷上,還是原本連接在碳上的某個原子必須先離開?

甲烷中的碳已經形成四個鍵,因此不能直接再接上一個氯,成為第五個鍵結對象。相反地,一個氫原子會被氯取代。這種取代正是飽和烴鹵素取代反應的核心概念。

01實際上被取代的是甚麼?

以甲烷 \(\ce{CH4}\) 為例。每一個碳-氫鍵都把碳原子與一個氫原子連接起來。

在紫外線照射下,甲烷可以與氯氣反應:

\[ \ce{CH4 + Cl2 ->[UV] CH3Cl + HCl} \]

其中一個 \(\ce{C-H}\) 鍵實際上被一個 \(\ce{C-Cl}\) 鍵取代。碳骨架並沒有增加另一個碳原子,而且反應中也沒有涉及碳-碳多重鍵。

這是一個取代反應,因為原本連接在碳上的一個原子被另一個原子取代。

反應圖顯示甲烷與氯氣在紫外線照射下生成氯甲烷和氯化氫,其中甲烷的一個氫被氯取代。
在紫外線照射下,氯取代甲烷中的一個氫;被移走的氫與另一個氯原子形成 HCl。

用一個稍微有點滑稽的方式來想像整體變化,可以把它看成約會節目中的重新配對。碳已經有四個「伴侶」,所以氯不能直接加入成為第五個。相反地,一個氫被氯取代,而被移走的氫最後形成氯化氫。

但這個比喻到此為止。分子並不是透過一步驟「決定」交換伴侶。真正的反應會經過具有高反應性的自由基物種。對於要求寫出方程式和反應條件的 HSC 題目而言,重要的是掌握上面所示的整體取代變化。

02你需要辨認的反應模式

當飽和烴與氯氣或溴反應時,HSC 中常見的反應模式為:

\[ \ce{R-H + X2 ->[UV] R-X + H-X} \]

其中:

  • \(\ce{R-H}\) 代表含有將被取代之氫原子的飽和烴
  • \(\ce{X2}\) 代表鹵素分子,通常是 \(\ce{Cl2}\) 或 \(\ce{Br2}\)
  • \(\ce{R-X}\) 是鹵代烷產物
  • \(\ce{H-X}\) 是副產物鹵化氫
  • UV 代表紫外線照射

對於分子式為 \(\ce{C_{n}H_{2n+2}}\) 的烷烴,一次取代可表示為:

\[ \ce{C_{n}H_{2n+2} + X2 ->[UV] C_{n}H_{2n+1}X + HX} \]

這個方程式描述的是單取代:恰好只有一個氫原子被取代。

例如:

\[ \ce{C2H6 + Br2 ->[UV] C2H5Br + HBr} \]

乙烷變成溴乙烷,同時也會生成溴化氫。

03為甚麼需要紫外線照射?

學生可能會合理地想:「既然氯的反應性很高,為甚麼它不立即攻擊烷烴?」

問題在於如何啟動反應。\(\ce{Cl-Cl}\) 或 \(\ce{Br-Br}\) 鍵必須先斷裂,產生反應性很高的自由基物種。紫外線提供能量,可以啟動這個過程。

如果題目只是要求寫出方程式和反應條件,通常不需要完整寫出自由基反應機理。考試中最重要的反應條件是:

紫外線照射,通常也寫作 UV 光。

陽光也可以啟動反應,因為陽光含有紫外線。如果 HSC 題目要求寫出標準反應條件,寫「紫外線照射」是最清楚的答案。

UV 並不是化學催化劑。催化劑是一種參與反應途徑並在過程中重新生成的物質。紫外線則是為啟動反應而提供的能量。

04氯和溴是 HSC 中最重要的例子

你通常會遇到涉及氯或溴的取代反應。

鹵素典型的烷烴反應HSC 實用重點
\(\ce{Cl2}\)氯化反應在紫外線照射下發生
\(\ce{Br2}\)溴化反應在紫外線照射下發生
\(\ce{F2}\)氟化反應反應性極高,而且難以控制
\(\ce{I2}\)碘化反應在一般烷烴鹵化條件下通常不利於反應進行

因此,雖然氟、氯、溴和碘全部都是鹵素,但不應假設它們的反應行為完全相同。

對一般 HSC 取代反應方程式而言,最常預期的反應物是氯和溴。

05寫取代反應方程式的方法

當你看到飽和烴與氯氣或溴反應時,可以依照以下步驟處理。

  1. 確認該烴是飽和烴。
  2. 選擇一個要被取代的氫原子。
  3. 在該位置接上鹵素原子。
  4. 將被移走的氫寫入 \(\ce{HCl}\) 或 \(\ce{HBr}\)。
  5. 檢查方程式是否配平,從而把第二個鹵素原子也計算在內。
  6. 把紫外線照射寫成反應條件。
  7. 檢查不同的氫原子位置是否可能產生不同的構造異構物。

當烴分子比乙烷更大時,最後一步便會變得很重要。

例題:甲烷與氯氣反應

寫出甲烷與氯氣之間發生單取代反應的方程式,並包括反應條件。

步驟 1

甲烷是 \(\ce{CH4}\)。其中一個氫原子會被氯取代。

因此,有機產物是氯甲烷 \(\ce{CH3Cl}\)。

步驟 2

從甲烷移走的氫會形成氯化氫 \(\ce{HCl}\)。

步驟 3

\[ \ce{CH4 + Cl2 ->[UV] CH3Cl + HCl} \]

方程式兩側各有一個碳原子、四個氫原子和兩個氯原子。

步驟 4

甲烷中的一個 \(\ce{C-H}\) 鍵被一個 \(\ce{C-Cl}\) 鍵取代。需要紫外線照射來啟動這個取代反應。

一個常見錯誤是只把 \(\ce{CH3Cl}\) 寫成產物。這樣會少掉一個氫原子和一個氯原子。缺少的原子應存在於 \(\ce{HCl}\) 中。

06較大的烷烴可以產生多於一種產物

現在考慮丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3} \]

八個氫原子是否全都等效?

不是。它們存在於兩種不同的環境中。

任何一端碳原子上的氫都屬於同一種環境。中間碳原子上的氫則屬於另一種環境。

以溴取代末端的氫會產生 1-溴丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CH2CH2Br + HBr} \]

以溴取代中間碳原子上的氫會產生 2-溴丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CHBrCH3 + HBr} \]

這兩個方程式都是有效的單取代反應。

這是對簡單思考模型的一項重要補充。「取代一個氫」這個概念很有用,但並不總能指定唯一的產物。你必須判斷:在不同碳原子位置取代氫,是否會產生不同的分子。

例題:預測丙烷溴化的產物

丙烷在紫外線照射下與溴反應。寫出恰好取代一個氫原子時所形成的所有不同構造產物的反應方程式。

步驟 1

丙烷是:

\[ \ce{CH3CH2CH3} \]

兩端的碳原子彼此等效。中間的碳原子則不同。

步驟 2

這會得到 1-溴丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CH2CH2Br + HBr} \]

取代另一端的一個氫會得到相同的化合物,只是從相反方向畫出而已。

步驟 3

這會得到 2-溴丙烷:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CHBrCH3 + HBr} \]

步驟 4

會形成兩種不同的單取代構造產物,因為丙烷含有兩種不同的氫原子環境。

一個很容易犯的錯誤是把左端和右端分開計算,因而預測有三種產物。它們並不是不同的分子。把丙烷的結構旋轉後便可看出,兩個末端位置是等效的。

07取代反應不是加成反應

鹵素也會與不飽和烴反應,但反應類型不同。

假設溴與乙烯反應。乙烯含有碳-碳雙鍵。溴可以跨越這個雙鍵進行加成,而不是取代氫。

這個反應是加成反應:

\[ \ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2BrCH2Br} \]

注意其中的差異:沒有形成 \(\ce{HBr}\) 產物。

對於乙烷這類烷烴,溴則會在紫外線照射下發生取代反應:

\[ \ce{CH3CH3 + Br2 ->[UV] CH3CH2Br + HBr} \]

因此,一個實用的判斷規則是:

起始分子鹵素會發生甚麼變化?反應類型
烷烴一個 H 被鹵素取代取代反應
烯烴鹵素原子跨越 \(\ce{C=C}\) 加成加成反應

如果你正在處理碳-碳雙鍵,相關的不飽和烴加成反應會遵循不同的反應模式。

不要死記「溴就代表加成反應」。溴可以參與這兩種反應中的任何一種。烴的結構和反應條件才決定實際會發生甚麼反應。

08一次取代並不一定代表反應會停止

考慮由甲烷形成的氯甲烷 \(\ce{CH3Cl}\)。

它仍然含有三個氫原子。在有氯氣存在並持續接受紫外線照射時,另一個氫還可以再被取代:

\[ \ce{CH3Cl + Cl2 ->[UV] CH2Cl2 + HCl} \]

二氯甲烷可以再次反應:

\[ \ce{CH2Cl2 + Cl2 ->[UV] CHCl3 + HCl} \]

而氯甲烷的取代最終可以繼續進行,直至形成四氯化碳:

\[ \ce{CHCl3 + Cl2 ->[UV] CCl4 + HCl} \]

這說明了一個簡單方程式的重要限制,例如

\[ \ce{CH4 + Cl2 ->[UV] CH3Cl + HCl} \]

這個方程式正確描述了一個取代步驟,但並不能證明真實的反應混合物中只有氯甲烷。

如果題目明確指出「單取代」,就假設只有一個氫被取代。如果題目描述長時間鹵化或鹵素過量,便可能需要考慮進一步取代。

09如何檢查你的方程式

在繼續之前,檢查四件事。

第一,碳骨架是否仍然保留?在取代反應中,通常會保持相同的碳原子排列。

第二,每加入一個鹵素原子,有機分子中是否相應少了一個氫?

第三,你是否形成了正確的鹵化氫,例如 \(\ce{HCl}\) 或 \(\ce{HBr}\)?

第四,如果反應是烷烴鹵化,你是否寫出了紫外線照射這個條件?

例如,以下方程式是錯誤的:

\[ \ce{C2H6 + Br2 -> C2H5Br} \]

原子數目沒有配平。一個氫原子和一個溴原子憑空消失了。

正確的方程式是:

\[ \ce{C2H6 + Br2 ->[UV] C2H5Br + HBr} \]

10問題與解答

問題 1

乙烷與氯氣反應,透過單取代形成氯乙烷。

寫出此反應的配平化學方程式,並指出所需的反應條件。

解答 1

反應為:

\[ \ce{C2H6 + Cl2 ->[UV] C2H5Cl + HCl} \]

所需條件是紫外線照射。

乙烷中的一個氫原子被一個氯原子取代。被移走的氫與剩餘的氯原子結合,形成氯化氫。

一個很容易犯的錯誤是只把氯乙烷寫成產物。這樣的方程式不能守恆氫原子和氯原子的數目。取代反應會同時生成鹵代烷和鹵化氫。

問題 2

丙烷在紫外線照射下與溴反應。

如果恰好只有一個氫原子被取代,寫出所有可能形成之不同構造產物的反應方程式。並解釋為甚麼產物數目少於丙烷中的氫原子數目。

解答 2

可以形成兩種不同的構造產物:1-溴丙烷和 2-溴丙烷。

在末端碳原子發生取代時:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CH2CH2Br + HBr} \]

在中間碳原子發生取代時:

\[ \ce{CH3CH2CH3 + Br2 ->[UV] CH3CHBrCH3 + HBr} \]

丙烷有八個氫原子,但由於分子的對稱性,其中有多個氫原子在化學上是等效的。

兩個末端碳原子上的氫會形成相同的構造產物,即 1-溴丙烷。中間碳原子上的氫則會形成 2-溴丙烷。

一個很容易想到但錯誤的方法,是把每一個氫原子的位置分開計算。這樣會重複計算產物。真正重要的不是氫原子的數量,而是不同碳原子環境的數量,也就是在該位置發生取代時,是否會形成結構不同的分子。

問題 3

一個反應混合物含有 \(0.120\ \mathrm{mol}\) 的乙烷和 \(0.0850\ \mathrm{mol}\) 的氯氣。混合物接受紫外線照射。

假設只會按照以下方程式發生單取代:

\[ \ce{C2H6 + Cl2 -> C2H5Cl + HCl} \]

求:

a. 限量反應物
b. 最多可形成多少摩爾的氯乙烷
c. 形成多少摩爾的氯化氫
d. 剩餘乙烷的物質的量

解答 3

氯氣是限量反應物,可形成 \(0.0850\ \mathrm{mol}\) 的氯乙烷和 \(0.0850\ \mathrm{mol}\) 的氯化氫,並剩餘 \(0.0350\ \mathrm{mol}\) 的乙烷。

配平後的方程式為:

\[ \ce{C2H6 + Cl2 ->[UV] C2H5Cl + HCl} \]

摩爾比為:

\[ \ce{C2H6 : Cl2 : C2H5Cl : HCl} = 1:1:1:1 \]

對於 \(0.0850\ \mathrm{mol}\) 的氯氣,所需乙烷的物質的量為:

\[ n(\ce{C2H6}) = 0.0850\ \mathrm{mol} \]

現有 \(0.120\ \mathrm{mol}\) 的乙烷,因此氯氣會先耗盡。

所以:

\[ n(\ce{C2H5Cl}) = 0.0850\ \mathrm{mol} \]

以及

\[ n(\ce{HCl}) = 0.0850\ \mathrm{mol} \]

剩餘乙烷為:

\[ \begin{aligned} n(\ce{C2H6},\ \text{剩餘}) &=0.120-0.0850\\ &=0.0350\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

一個很容易犯的錯誤,是因為乙烷是被取代的烴,所以直接用最初的 \(0.120\ \mathrm{mol}\) 乙烷來計算產物。實際上,產物的形成量受最先耗盡的反應物所限制。

這項計算也高度依賴「只發生單取代」這個條件。如果允許進一步取代,那麼起始乙烷分子與消耗的總氯氣之間簡單的 \(1:1\) 關係便不能再描述整個反應混合物。

問題 4

一個密封容器最初含有 \(0.100\ \mathrm{mol}\) 的甲烷和 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 的氯氣。容器接受紫外線照射足夠長的時間,因此可能發生重複取代。

一名學生認為:

甲烷是限量反應物,所以形成的 HCl 不可能超過 \(0.100\ \mathrm{mol}\)。

這名學生是否正確?假設每一個發生反應的氯氣分子都會造成一次取代,且沒有其他反應,求由上述物質的量最多可形成多少 HCl。

根據所提供的資料,最終混合物中氯甲烷 \(\ce{CH3Cl}\) 的物質的量能否被唯一確定?

解答 4

這名學生不正確。最多可以形成 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 的 HCl,但最終 \(\ce{CH3Cl}\) 的物質的量無法唯一確定。

每一次取代都會消耗一個 \(\ce{Cl2}\) 分子,並形成一個 \(\ce{HCl}\) 分子。

第一次取代為:

\[ \ce{CH4 + Cl2 ->[UV] CH3Cl + HCl} \]

但氯甲烷還可以進行另一次取代:

\[ \ce{CH3Cl + Cl2 ->[UV] CH2Cl2 + HCl} \]

進一步的取代可以繼續形成 \(\ce{CHCl3}\),最終甚至形成 \(\ce{CCl4}\)。

由於有 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 的氯氣可供反應,最多可發生 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 次取代。因此:

\[ n(\ce{HCl})_{\text{最大}}=0.250\ \mathrm{mol} \]

可供取代的氫原子數量足夠。每個甲烷分子含有四個可被取代的氫原子,因此 \(0.100\ \mathrm{mol}\) 的甲烷最初含有:

\[ 4(0.100)=0.400\ \mathrm{mol} \]

個連接在碳上的氫原子。實際上只需要進行 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 次取代。

然而,題目資料沒有告訴我們這 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 次取代是如何分布在由甲烷衍生而來的各個分子之間。有些分子可能只被取代一次,另一些則可能被取代兩次、三次或四次。

一個很容易採用的錯誤方法,是把整個過程當作只有第一條反應方程式存在。這樣會把 HCl 的產量上限錯誤地限制在 \(0.100\ \mathrm{mol}\)。關鍵限制在於,第一次取代的產物仍然含有 \(\ce{C-H}\) 鍵,所以它可以再次反應。

在這個情況下,化學計量可以決定取代事件總數的最大值,但不能決定完整的產物分布。

問題 5

一名化學家用紫外線照射 \(0.0500\ \mathrm{mol}\) 的丁烷,並使用過量氯氣。反應後,所有原本的丁烷都已經反應。

分析顯示:

  • 有機產物只含有經一次或兩次氯取代形成的分子
  • 沒有任何有機分子發生三次或四次取代
  • 恰好生成了 \(0.0750\ \mathrm{mol}\) 的 HCl

求一氯取代有機產物和二氯取代有機產物的總物質的量。

然後判斷這些測量結果是否足以確定有機混合物的確切結構組成。解釋你的推理。

解答 5

混合物含有 \(0.0250\ \mathrm{mol}\) 的一氯取代產物和 \(0.0250\ \mathrm{mol}\) 的二氯取代產物,但這些測量結果不足以確定其確切結構組成。

令:

  • \(x\) 為所有由丁烷衍生的一氯取代分子的總物質的量,單位為 mol
  • \(y\) 為所有由丁烷衍生的二氯取代分子的總物質的量,單位為 mol

每一個原本的丁烷分子都變成了一個有機產物分子。由於全部 \(0.0500\ \mathrm{mol}\) 的丁烷都已反應:

\[ x+y=0.0500 \]

一個一氯取代分子需要發生一次取代,因此會產生一個 \(\ce{HCl}\)。

一個二氯取代分子需要發生兩次取代,因此會產生兩個 \(\ce{HCl}\)。

所以,測得的氯化氫物質的量給出:

\[ x+2y=0.0750 \]

用第二條方程式減去第一條:

\[ \begin{aligned} x+2y-(x+y)&=0.0750-0.0500\\ y&=0.0250\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

因此:

\[ \begin{aligned} x&=0.0500-0.0250\\ &=0.0250\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

所以總物質的量為:

\[ n(\text{一氯取代產物})=0.0250\ \mathrm{mol} \]

\[ n(\text{二氯取代產物})=0.0250\ \mathrm{mol} \]

然而,這並不能確定混合物中各個分子的具體結構。

丁烷中的氫原子位於不同的碳原子環境。即使只是單取代,也能產生不同的構造產物,包括 1-氯丁烷和 2-氯丁烷。二氯取代則會有更多可能性,取決於哪兩個氫被取代。

一個很容易得出的錯誤結論是:只要知道加入了多少個氯原子,就應該能知道形成了哪些分子。事實並非如此。HCl 的測量結果告訴我們總共發生了多少次取代,而分子的結構身分則取決於這些取代發生在哪些位置。

這項區別正是關鍵所在:反應的化學計量可以揭示取代程度,但不能唯一揭示分子結構。

一旦你能夠把這兩個概念分開–發生了多少次取代,以及取代發生在甚麼位置–你便已準備好利用結構式和異構現象,預測取代反應可能形成的各種鹵代烷。