HSC 化學：烷烴、烯烴與炔烴的分子式

想像三個分子模型。每個模型都有六個碳原子連成一條鏈。第一個模型只有碳－碳單鍵。第二個模型有一個雙鍵。第三個模型則有一個三鍵。

在開始計算之前，先預測哪個模型含有最多氫原子。

答案是第一個模型。六碳烷烴的分子式為 \(\ce{C6H14}\)。如果將一個碳－碳單鍵改成雙鍵，分子式就會變成 \(\ce{C6H12}\)。如果改成三鍵，分子式則會變成 \(\ce{C6H10}\)。

碳原子的數目並沒有改變。改變的是碳原子有多少個成鍵位置用來與其他碳原子成鍵。這個簡單的概念，是在不必死記數十種不同分子式的情況下，辨認烷烴、烯烴和炔烴的關鍵。

01從碳的四鍵規則開始

建立碳氫化合物模型時，有兩個事實最為重要：

• 碳形成四個鍵，
• 氫形成一個鍵。

單鍵代表兩個原子之間的一個鍵。雙鍵代表兩個鍵，三鍵則代表三個鍵。

你可以把每個碳原子想像成有四個成鍵位置。碳原子對這項規則相當嚴格。如果它用三個位置與另一個碳原子形成三鍵，就只剩下一個位置可以與其他原子成鍵。

這個比喻有助於計算，但並不是化學鍵的精確圖像。雙鍵並非真的由兩根獨立的小棍組成，三鍵也不是由三個完全相同且彼此獨立的鍵組成。然而，在 HSC 的模型建構中，以這種方式計算鍵級，能正確反映碳的化合價。

以乙烷為例：

\[ \ce{CH3-CH3} \]

每個碳原子都有一個 C-C 鍵和三個 C-H 鍵，因此每個碳原子周圍共有四個鍵。

現在比較乙烯：

\[ \ce{CH2=CH2} \]

每個碳原子已經在 C=C 雙鍵中使用了兩個成鍵位置，因此只剩下兩個位置可與氫原子成鍵。

接著看乙炔：

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

每個碳原子在 C≡C 三鍵中使用了三個成鍵位置，因此只剩下足夠容納一個氫原子的位置。

因此，碳－碳鍵的鍵級愈高，分子能夠容納的氫原子就愈少。

02三種同系列化合物

同系列化合物是一組具有共同結構特徵和共同通式的化合物。相鄰的成員相差一個 \(\ce{CH2}\) 單位。

本指南介紹的三種碳氫化合物系列如下：

這裡的 \(n\) 代表碳原子的數目。

這張表中有一個重要的條件。這些通式描述的是一般的開鏈成員，並且符合以下條件：

• 烷烴沒有多重鍵，
• 烯烴有一個 C=C 鍵，
• 炔烴有一個 C≡C 鍵。

這個條件很重要。單靠分子式，並不一定能證明分子中存在哪些鍵。我們稍後會再討論這一點。

烷烴是飽和的

開鏈烷烴的碳骨架所能容納的氫原子數目達到最大值，因此稱為飽和化合物。

例如，戊烷有五個碳原子：

\[ \ce{C5H12} \]

使用烷烴通式：

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

代入 \(n=5\)：

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

因此，分子式為 \(\ce{C5H12}\)。

烯烴和炔烴是不飽和的

烯烴含有 C=C 鍵，炔烴則含有 C≡C 鍵。因此，兩者的氫原子數目都比具有相同碳原子數目的相應烷烴少。

以五個碳原子為例：

\[ \begin{aligned} \text{烷烴： } &\ce{C5H12}\\ \text{烯烴： } &\ce{C5H10}\\ \text{炔烴： } &\ce{C5H8} \end{aligned} \]

請留意這個規律。從烷烴變成烯烴，分子式中的氫原子數目減少兩個。從烯烴變成炔烴，氫原子數目又再減少兩個。

這並不是一條反應方程式，而是比較具有相同碳原子數目的不同結構。

03為甚麼通式成立

從一個開鏈烷烴開始：

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

現在，假設將一個 C-C 單鍵改成 C=C 雙鍵。

兩個碳原子都必須維持各自的四個鍵。增加一個碳－碳鍵的鍵級，便會在整個分子中取代兩個 C-H 鍵：兩個碳原子各少一個 C-H 鍵。

因此，烯烴的氫原子數目比相應的烷烴少兩個：

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

如果再將同一個連接位置的雙鍵改成三鍵，就會再減少兩個 C-H 成鍵位置。

結果便是：

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

這讓我們可以比較具有相同碳原子數目的化合物：

如果你在考試中忘記其中一個通式，應根據四鍵規則重新推導，而不是猜測。

04C1 至 C8 的碳原子字首

碳氫化合物名稱的開頭部分會告訴你主鏈中有多少個碳原子。

名稱的結尾則表示所屬系列：

• -ane 表示烷烴，
• -ene 表示烯烴，
• -yne 表示炔烴。

例如，hex- 表示有六個碳原子。因此：

• hexane 是含有六個碳原子的烷烴，
• hexene 是含有六個碳原子的烯烴，
• hexyne 是含有六個碳原子的炔烴。

對於烯烴和炔烴，名稱通常也會指出多重鍵開始的位置。Hex-2-ene 的 C=C 鍵位於碳原子 2 和碳原子 3 之間。

05C8 以內的分子式

只要你能運用通式，就不需要把整張表背下來。這張表更適合用來檢查規律是否正確。

不存在只有一個碳原子的烯烴或炔烴。雙鍵或三鍵顯然至少需要兩個碳原子。

縱向的規律也很重要。在同系列化合物中，每往下一列，分子式便增加一個 \(\ce{CH2}\)。

例如：

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

這些是烯烴系列中連續成員的分子式。

06分子式與結構式

分子式告訴你分子中有多少個原子。

例如：

\[ \ce{C4H8} \]

表示該分子含有四個碳原子和八個氫原子。

但它並沒有告訴你這些原子如何連接。

結構式會顯示原子的鍵結排列。丁-1-烯的縮寫結構式為：

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

丁-2-烯具有相同的分子式：

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

兩者的分子式都是 \(\ce{C4H8}\)，但 C=C 鍵的位置不同。

因此，不應把「分子式」和「結構式」當作意思相同的術語。

07建立碳氫化合物模型的可靠方法

當你拿到一個化合物名稱，或被要求建立模型時，每次都按照相同的順序操作。

首先，放置所需數目的碳原子。如果你要建立辛烷模型，就需要八個碳原子。

接著，連接碳骨架。

然後，加入所需的多重鍵。例如，對於辛-3-炔，三鍵從碳原子 3 開始：

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

只有在碳骨架正確後，才加入氫原子。

對每個碳原子，問自己：

這個碳原子還需要多少個鍵，才能達到四個鍵？

與其死記每個碳原子「應該」有多少個氫原子，這個問題更可靠。

08最容易犯的錯誤

錯誤 1：雙鍵代表更多氫原子

看到雙鍵時，很容易想到「鍵更多，所以原子可能也更多」。

實際情況恰好相反。

雙鍵表示兩個碳原子之間使用了更多成鍵位置。這使可供氫原子使用的成鍵位置減少。

以四個碳原子為例：

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

碳－碳鍵的鍵級愈高，氫原子就愈少。

錯誤 2：通式會告訴你確切的結構

假設題目給你 \(\ce{C6H12}\)。

在基本同系列化合物題目所使用的開鏈烷烴、烯烴和炔烴這個受限範圍內，它符合烯烴的通式 \(\ce{C_nH_{2n}}\)。

但這並不能告訴你其結構究竟是己-1-烯、己-2-烯、另一種烯烴異構體，還是在這個受限範圍之外，具有相同分子式的另一類化合物。

通式能辨認分子式的規律，但不能代替你畫出分子結構。

錯誤 3：數算基團而不是碳原子

考慮：

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

這裡有五個碳原子，而不是四個。每個 C 都代表一個碳原子，包括每個 \(\ce{CH3}\)、\(\ce{CH2}\) 或 \(\ce{CH}\) 基團中的碳原子。

如果不確定，就先數算 C 符號。

錯誤 4：每個碳原子都連接四個原子

碳形成四個鍵，但這不代表它必須與四個不同的原子形成四個鍵。

在 C=C 雙鍵中，另一個碳原子貢獻兩個鍵單位。

在 C≡C 三鍵中，另一個碳原子貢獻三個鍵單位。

因此，炔烴中的碳原子即使只與兩個原子相連，其化合價仍然可以是四。

09題目與解答

題目 1

己烷是一種含有六個碳原子的非支鏈烷烴。

寫出：

a. 它的分子式，

b. 它的縮寫結構式，

c. 你用來核對答案的通式。

解答 1

己烷的分子式為 \(\ce{C6H14}\)，縮寫結構式為 \(\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3}\)。

烷烴的通式為：

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

當 \(n=6\) 時：

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

因此，分子式為：

\[ \ce{C6H14} \]

縮寫結構中，兩端的碳原子各屬於一個 \(\ce{CH3}\) 基團，四個內部碳原子則各屬於一個 \(\ce{CH2}\) 基團：

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

個氫原子。

常見的錯誤是使用 \(\ce{C_nH_{2n}}\)，但這是含有一個 C=C 鍵的開鏈烯烴的通式。己烷只有單鍵，因此是飽和化合物。

題目 2

一種直鏈碳氫化合物含有六個碳原子。模型顯示碳原子 3 和碳原子 4 之間有一個雙鍵，且沒有其他多重鍵。

確定：

a. 它的名稱，

b. 它的縮寫結構式，

c. 它的分子式，

d. 它的氫原子數目與己烷相比有何不同。

解答 2

這種化合物是己-3-烯，縮寫結構式為 \(\ce{CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH3}\)，分子式為 \(\ce{C6H12}\)。它比己烷少兩個氫原子。

六碳鏈對應字首 hex-。雙鍵從碳原子 3 開始，因此名稱是己-3-烯。

補足碳的化合價後，得到：

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

氫原子數目為：

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

因此：

\[ \ce{C6H12} \]

烯烴通式也能確認這個結果：

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

當 \(n=6\) 時：

\[ 2(6)=12 \]

己烷的分子式是 \(\ce{C6H14}\)。C=C 鍵提高了兩個碳原子之間的鍵級，因此整個分子能形成的 C-H 鍵總數減少兩個。

常見的錯誤是正確數出六個碳原子，卻仍然使用烷烴通式。雙鍵會改變允許存在的氫原子數目。

題目 3

一種未知的開鏈碳氫化合物 \(X\) 屬於本指南介紹的三種系列之一，其分子式為 \(\ce{C7H12}\)。

a. 判斷它屬於哪個同系列化合物系列。

b. 寫出兩個符合該分子式的不同直鏈縮寫結構式。

c. 解釋為甚麼單靠 \(\ce{C7H12}\) 無法判斷實際存在的是哪一種結構。

解答 3

在題目指定的三種系列範圍內，該化合物是炔烴。兩種可能的結構是庚-1-炔和庚-2-炔，而單靠分子式無法區分三鍵的位置。

對於七個碳原子，比較預測的氫原子數目：

\[ \begin{aligned} \text{烷烴： } &2(7)+2=16\\ \text{烯烴： } &2(7)=14\\ \text{炔烴： } &2(7)-2=12 \end{aligned} \]

觀察到的分子式是 \(\ce{C7H12}\)，因此符合炔烴系列。

其中一種可能的結構是庚-1-炔：

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

另一種是庚-2-炔：

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

兩者都含有七個碳原子和十二個氫原子。

容易犯的錯誤是認為，只要辨認出同系列化合物，就等於已經確定其結構。事實並非如此。分子式告訴我們原子的數目，而結構式則告訴我們原子之間的連接方式。

移動三鍵的位置會改變結構，但不會改變分子式。

題目 4

一名學生想把己-1-烯的模型

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

改成己-1-炔的模型。

他把 C=C 鍵換成 C≡C 鍵，卻將每個氫原子保留在原來的位置，得到以下假設結構：

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

另一名學生說：「它仍然有六個碳原子，所以應該沒有問題。」

分析這個假設模型。指出所有違反化合價規則的地方，建構正確的己-1-炔結構，確定其分子式，並準確解釋為甚麼氫原子數目會改變。

解答 4

這個假設模型不可能成立，因為前兩個碳原子都會超出碳的四價。正確的己-1-炔結構是 \(\ce{HC\bond{#}C-CH2-CH2-CH2-CH3}\)，分子式為 \(\ce{C6H10}\)。

考慮錯誤模型中的碳原子 1：

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

三鍵已經貢獻三個鍵單位。兩個 C-H 鍵還會再貢獻兩個：

\[ 3+2=5 \]

碳原子將會有五個鍵，這在一般碳氫化合物的模型中是不允許的。

碳原子 2 也有相同的問題，只是具體情況略有不同。它具有：

• 與碳原子 1 形成的三鍵，貢獻三個鍵單位，
• 與碳原子 3 形成的單鍵，貢獻一個鍵單位，
• 一個 C-H 鍵，貢獻一個鍵單位。

因此：

\[ 3+1+1=5 \]

同樣超過四個鍵。

正確的結構是：

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

現在，碳原子 1 有一個三鍵和一個 C-H 鍵：

\[ 3+1=4 \]

碳原子 2 有一個三鍵和一個 C-C 單鍵：

\[ 3+1=4 \]

因此，碳原子 2 不帶氫原子。

計算氫原子數目：

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

所以分子式為：

\[ \ce{C6H10} \]

這也符合炔烴通式：

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

己-1-烯的分子式是 \(\ce{C6H12}\)，而己-1-炔的分子式是 \(\ce{C6H10}\)。將 C=C 雙鍵改成 C≡C 三鍵，會使兩個碳原子各多使用一個成鍵位置。因此，在炔烴模型中必須少兩個 C-H 鍵。

第二名學生的論點只著眼於碳原子的數目，這並不足夠。有效的分子模型必須同時符合原子數目和每個碳原子的成鍵能力。

題目 5

一種未知的碳氫化合物 \(X\) 的分子式為 \(\ce{C8H14}\)。

一名學生提出以下論點：

因為 \(\ce{C8H14}\) 符合 \(\ce{C_nH_{2n-2}}\)，所以 \(X\) 必定含有碳－碳三鍵。

分兩個階段分析這個論點。

a. 首先，假設已知 \(X\) 確實屬於本指南所研究的三種開鏈同系列化合物之一：烷烴、含有一個 C=C 鍵的烯烴，或含有一個 C≡C 鍵的炔烴。判斷它所屬的系列，並寫出一個可能的縮寫結構式。

b. 現在取消這項限制。運用碳的四鍵規則，建構一種含有八個碳原子、分子式為 \(\ce{C8H14}\)，但不含三鍵的開鏈碳氫化合物。

c. 準確解釋分子式能證明甚麼、不能證明甚麼，以及需要哪些額外的結構資訊才能判定該學生的論點是否成立。

解答 5

在限定為三種系列之一的假設下，\(X\) 是炔烴；如果沒有這項假設，單靠 \(\ce{C8H14}\) 並不能證明其中存在三鍵。

對於 a，將 \(n=8\) 代入三種通式進行檢驗：

\[ \begin{aligned} \text{烷烴：}&2(8)+2=18\\ \text{烯烴：}&2(8)=16\\ \text{炔烴：}&2(8)-2=14 \end{aligned} \]

只有炔烴的算式會得出十四個氫原子。在這個受限範圍內，\(X\) 因此必定是炔烴。

其中一種可能的結構是辛-1-炔：

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

其氫原子數目為：

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

因此，其分子式為 \(\ce{C8H14}\)。

然而，對於 b，我們不再假設分子最多只含有一個多重鍵。考慮以下結構：

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

這個分子含有兩個 C=C 雙鍵，但不含 C≡C 三鍵。

計算其氫原子數目：

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

因此，它的分子式同樣是：

\[ \ce{C8H14} \]

其中每個碳原子仍然符合四鍵規則。

這就是關鍵所在。通式 \(\ce{C_nH_{2n-2}}\) 是含有一個三鍵的開鏈炔烴同系列化合物的通式。但是，符合相同的原子數目，並不等於在允許其他鍵結排列的情況下，已經從邏輯上證明該分子必定屬於這個系列。

該學生的結論只有在假設了一項未明確說出的結構限制時才成立。

分子式能證明該分子含有八個碳原子和十四個氫原子，但不能指出這些原子如何連接，也不能證明氫原子數目減少是由一個 C≡C 鍵，還是由其他鍵結排列造成。

直接顯示碳－碳連接方式的結構式、展開式或分子模型，就能解決這個問題。如果結構顯示一個 C≡C 鍵，且沒有其他多重鍵，便可以將該化合物分類為炔烴。

因此，最好的習慣不只是辨認 \(\ce{C_nH_{2n-2}}\)，而是始終思考：哪些假設使這個通式適用？

10接下來可以學甚麼

當你能夠可靠地在名稱、分子式和結構模型之間轉換後，下一步就是比較具有相同分子式的不同結構。

這會直接引入結構異構現象。兩種化合物可能含有完全相同數目的碳原子和氫原子，但雙鍵、三鍵或碳支鏈的位置卻有所不同。

這也能為你學習碳氫化合物的反應做好準備。分子式告訴你有哪些原子及其數目，而結構式則顯示分子中許多化學反應發生的位置。對於烯烴和炔烴而言，這代表你需要特別留意 C=C 和 C≡C 鍵。