9-1 化学/碳化合物

有机化学简介

原油、烃和烷烃

原油是一种存在于岩石中的有限资源。它来自古代生物量（主要是浮游生物）的残骸，这些生物量被埋在泥土中。

原油是由许多种化合物组成的混合物。大多数化合物是烃，只由氢原子和碳原子组成的分子。烃有不同的形式，但最常见的类型是烷烃。烷烃是同系物；它们具有相似的性质，并遵循一定的化学式规律。烷烃的通式为

${\ce {C_{2n}H_{2n + 2}}}$

这由系列中的前 4 个烷烃证明

甲烷 ${\ce {CH_4}}$
乙烷 ${\ce {C2H_6}}$
丙烷 ${\ce {C3H_8}}$
丁烷 ${\ce {C4H_10}}$

我们也可以通过将碳键写成中心，并将所有其他边用氢原子填充来绘制烷烃的结构图。例如，丁烷的图看起来像这样

分馏和石油化学品

虽然原油是许多不同烃的混合物，但我们可以通过分馏将烃分离成具有相似碳原子数量的馏分。分馏塔具有温度梯度，塔底最热，塔顶最冷。最长的烃首先流出，最短的烃具有较低的沸点，在塔顶流出。

这些馏分可以加工生产燃料和石油化工行业所需的原料。我们依赖的许多燃料都来自原油，例如汽油、柴油、煤油、重油和石油气。它们被用于生产许多有用的材料，如溶剂、润滑剂、聚合物和洗涤剂。

所有这一切都要归功于碳原子形成相似化合物族（同系物）的惊人能力。

烃的性质

左边的流体比右边的流体具有更高的粘度。左边代表一个小的烃，右边代表一个较长的烃。

较小的烃，按分子大小排列，具有

更高的粘度（流动更容易）
更易挥发
具有较低的沸点
并且具有更高的可燃性（更容易点燃）。

较长的烃具有

更高的沸点
较低的粘度
不易挥发
并且可燃性低。

这些性质导致烃馏分的使用方式非常不同。最长的烃，沥青，用于道路沥青。此外，较长的烃用作大型车辆或系统的燃料，例如重油用作发电站和船舶的燃料，而较短的烃，如汽油，用作汽车的燃料。最小的烃，液化石油气，用作烹饪和房屋供暖的燃料。

烃的燃烧

燃烧烃燃料以释放能量。这被称为**燃烧**，所有燃烧反应都是放热的；它们将能量释放到环境中。当氧气（来自空气）供应充足时，燃烧反应是完全的，并遵循以下模式

${\text{Hydrocarbon + Oxygen}}\rightarrow {\text{Carbon dioxide + Water}}$

该反应释放出最大量的能量，被称为**完全燃烧**。以下是乙烷完全燃烧的化学方程式

${\ce {C2H6 + 3 1/2O2 -> 2CO2 + 3H2O}}$

燃烧反应是化学课程中唯一允许出现半個分子的情况，或者你可以将所有东西都翻倍。在**不完全燃烧**中，会生成一氧化碳而不是二氧化碳

${\text{Hydrocarbon + Oxygen}}\rightarrow {\text{Carbon monoxide + Water}}$

裂化和烯烃

Bromine water which allows us to identify alkenes from alkanes and other hydrocarbons. — 溴水可以用来鉴别烯烃和烷烃以及其他碳氢化合物。

**裂化**是指碳氢化合物分解成更小的分子，这些分子通常更有用。裂化也是**热分解**反应的一个例子，其中分子通过加热分解。

**催化裂化**是指使用催化剂提供替代的反应途径，降低碳氢化合物分解所需的温度（约 500 摄氏度）和压力。使用的催化剂通常是沸石，其中含有氧化铝和氧化硅。另一方面，蒸汽（热）裂化不使用催化剂，因此需要更高的温度（约 800 摄氏度）和压力。催化裂化更便宜，因此是裂化碳氢化合物的首选方法。

裂化的产物包括更小的烷烃和另一种被称为烯烃的碳氢化合物。

${\text{Long (alkane) hydrocarbon}}\rightarrow {\text{Shorter alkane + alkene}}$

烯烃与烷烃的命名方式相同，只是以 -ene 结尾，而不是 -ane。乙烯是最小的烯烃（没有甲烯这种物质！）。

烯烃的通式是

${\ce {C_{n}H_{2n}}}$

如果你还记得，更小的烯烃碳氢化合物被用作小型车辆（如汽车）的燃料，因此对更小的碳氢化合物的燃料需求要高得多。烯烃被用来生产聚合物，并作为许多其他化学物质的起始原料。

绘制烯烃

所有烯烃都含有一个碳双共价键， ${\ce {C=C}}$ ，而烷烃只有单键。以下是乙烯的结构图

绘制更大的烯烃

从乙烯的 ${\ce {C=C}}$ 的一侧切掉一个氢原子。
绘制出碳原子的数量，并将它们连接在一起，例如丁烯： ${\ce {C=C-C-C}}$ （记住左侧仍然应该有两个氢原子）
用氢原子填充所有侧面，除了
1. 双键中另一个碳原子应该只有一个氢原子。
2. 末端应该有一个氢原子。

这就是丁烯的结构式

烯烃的检验

烯烃比烷烃更活泼，因此与溴水（一种橙色的溴溶液）反应，使溴水褪色变成无色溶液。烷烃不会发生这种反应。

快速问答

能量的定义是什么？

系统（物体或物体组）可能发生的最大变化。

两种主要类型的能量储存是什么？它们之间的区别是什么？

与运动有关的能量储存（动能）和与物体在空间中的位置有关的势能储存。

能量的测量单位是什么？

焦耳

比热容是什么？

使 1 公斤物质升温 1

{\text{°C}}

所需的能量。

功率是什么？

能量传递的速率。

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