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常温下为气体的烷烃

常温下为气体的烷烃

烷烃是一类有机化合物,分子中的碳原子全部以碳碳单键连接,其余价键与氢结合。它们分为环烷烃和石蜡。石蜡的通式是CnH2n+2,环烷烃的通式是CnH2n,是最简单的一种有机化合物。

烷烃的主要来源是石油和天然气,它们是重要的化工原料和能源材料。

仅由两种元素组成的化合物,碳氢化合物,被称为碳氢化合物,或简称碳氢化合物。根据碳氢化合物分子框架的不同,碳氢化合物可分为链状碳氢化合物(脂肪烃)和环状碳氢化合物(脂环烃)两大类。

链状烃可分为饱和烃和不饱和烃。大部分有机化合物是由碳氢原子以碳碳单键和碳氢单键组成的。饱和意味着分子中碳原子和其他原子的结合已经达到最大值。

另外,烷烃是一种饱和烃,包括环烷烃和链烷烃。

气味

低沸点烷烃是无色液体,有特殊气味;沸点高的烷烃是粘稠的油状液体,无味。

物质状态

烷烃的物理性质随着分子中碳原子数的增加而发生有规律的变化。

在25的室温下,含1~4个碳原子的烷烃是气体。

含5-16个碳原子的烷烃是液体。但实际上,10~19个碳原子的烷烃在常温下可以是固体。

18个碳原子以上的正构烷烃是固体,但60个碳原子的正构烷烃熔点(熔点99℃)不超过100℃。

烷烃是非极性分子,偶极矩为零。但分子内电荷分布不是很均匀,运动中可以产生瞬时偶极矩,瞬时偶极矩之间存在相互作用力(色散力)。

另外,分子之间存在范德华力,比化学键的范德华力小一两个数量级。克服这些力所需的能量也低,所以一般有机物的熔点和沸点很少超过300℃。

沸点

正构烷烃的沸点随着碳原子的增加而增加,这是因为分子运动所需的能量增加,分子间的界面增大,范德华力相应增大。随着CH2的增加,低级烷烃的相对分子量和沸点变化很大。高级烷烃的沸点差逐渐减小。因此,分离低级烷烃更容易,但分离高级烷烃要困难得多。

在同分异构体中,分子结构、接触面积和相互作用力是不同的。戊烷的沸点是36.1℃,2-甲基丁烷的沸点是25℃,2,2-二甲基丙烷的沸点只有9℃。支链分子趋于球形,由于支链的空间位阻,接触面积减少,从而降低了分子间力,具有较低的沸点。

熔点

固体分子的熔点也随着碳原子的增加而增加,但没有沸点的变化那么有规律。同一系列的C1-C3不那么规则,但C4以上的那些随着碳原子的增加而增加。

这是因为晶体分子之间的相互作用不仅取决于相对分子质量,还取决于分子在晶格中的排列。分子对称性越高,排列越紧密,分子间引力越大,熔点越高。在正构烷烃中,奇数碳原子烷烃的熔点上升幅度小于偶数碳原子烷烃。

以至于在直链烷烃的熔点曲线中,碳原子为奇数和偶数的烷烃各自形成一条熔点曲线,偶数在上,奇数在下。

x射线衍射分析表明,固体正构烷烃晶体呈锯齿形,两端的甲基在奇数碳原子齿链的同一侧,如正戊烷。偶数碳链两端的甲基不在同一侧,如正己烷。偶数碳链彼此距离较近,相互作用力较大,因此熔点升高值大于奇数碳链。

密度

烷烃的密度随着相对分子量的增加而增加,这也是分子间相互作用的结果。随着分子间引力的增大,分子间的距离相应减小,而相对密度增大。当密度增加到一定值时,相对分子量增加,但密度变化不大。

最大值约为0.8g·cm,所以所有烷烃都比水轻。

溶解度

烷烃中σ键的极性很小,其分子偶极矩为零,所以是非极性分子。根据相似相容原理,烷烃能溶于四氯化碳、烃类化合物等非极性溶剂,不溶于水等极性溶剂。

与相同碳原子数的石蜡相比,环烷烃具有更高的沸点、熔点和密度。这是因为链状化合物可以自由摇动,分子拉得不紧,容易挥发,所以沸点较低。

因为这种晃动,很难在晶格中有序排列,所以熔点较低。因为没有环,链状化合物的排列比环状化合物更松散,所以密度更低。异构体和顺反异构体也有不同的物理性质。下表显示了一些烷烃和环烷烃的物理常数。

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