烷烃和环烷烃的物理性质烷烃和环烷烃的物理性质 物理性质： 状态（气体？气体？ 液体液体 ？ 固体？固体？ ） ）、熔点、沸点、相 对密度、折射率和溶解度 在一定条件下，化合物的物理性质是固定的， 不变化的，通常把这些参数值称作物理常数。 物理常数是化合物的基本属性，通过测定物理 常数可以鉴定化合物，确定化合物的纯度等。 一些直链烷烃的物理常数 C5-16 液 C17 固 C1-4 气 从表中可以看到 C1C4烷烃是气体，C5C16烷烃为液体，C17烷烃为固体 随着烃中碳数增加，熔点增加，沸点增加。 随着烃中碳数增加，相对密度d420增加，逐渐接近0.8。 随着烃中碳数增加，折射率nD20增加，但大于1 随着相对分子质量的增减，物理常数呈规律的变化在有机化合物中是 一种普遍现象。在其他类化合物中也有类似的规律。掌握了这种规律 ，知道某类化合物中几个化合物的物理常数，就可以推测有关化合物 的物理常数。 沸点与碳原子数的关系 但随着相对分子质量的增加，每增加一个-CH2-，沸点增加的幅度很快减少。 CH4C2H6C10H22C11H24C18H38C19H40 沸点/-161.6-88.6174195.8303309.7 差/73227 在正烷烃中，随相对分子质量增加， 沸点也随之升高，其原因为： 低级烷烃容易分离，高级烷烃不易分离。 1.分子间作用力增大 2.分子运动所需能量增加 沸点与结构的关系 沸点 36 28 9.5 支链的存在，使烷烃分子不易互相接近，分子间距离增加。 支链越多，沸点越低。 熔点与碳原子数的关系 直链烷烃的熔点随着相对分子质量的增加而增加 奇 偶 偶数碳烷烃两端甲基不在同一边，对称高于奇数碳烷烃。 X-射线衍射测得，偶数碳烷烃在晶体中排列比奇数碳的排列紧密。 m.p. -130 m.p. -160 m.p. -17 对于碳原子相同的烷烃异构体，对称性好的异构体，分子在晶格 中排列紧密，分子间力大，熔点高。 熔点与结构的关系 相对密度 烷烃比水轻，相对密度小于1。 随分子量的增加，分子间作用力增强，分子间距离减小，密度增 大。 溶解度 烷烃溶于有机溶剂中，不溶于水。 相似者相溶-普遍适用的经验规律。 水是极性分子，烷烃是非极性分子，很难溶于水中。 折光率nD20 折光率，又称折光指数、折射率，是光在空气中速度 与在液体中速度之比： nD20=C光空气/C光液体1 ，它反映 了分子中电子对光传播干扰的程度，或者电子被光极化 的程度。 化合物相对分子质量增加，其中电子也增多，nD20增加 。 解答：(3) (2) (5 ) (1) (4)。 烷烃的沸点随相对分子质量增加而明显提高。此外， 同碳数的各种烷烃异构体中，直链的异构体沸点最高 ，支链烷烃的沸点比直链的低，且支链越多，沸点越 低。 2不要查表试将下列烃类化合物按沸点降低 的次序排列。 2,3-二甲基戊烷 (2) 正庚烷 (3) 2-甲基庚烷 (4) 正戊烷 (5) 2-甲基己烷 比较沸点高低 1. 正丁烷 和 异丁烷 2. 正辛烷 和 2,2,3,3，-四甲基丁烷 3. 庚烷， 2-甲基己烷和2,2,3,3-二甲基戊烷 当碳原子数相同时，支链越多，分子间作用力越弱， 沸点越低 比较熔点高低 1. A 正丁烷 和 B 异丁烷 2. A 正辛烷 和 B 2,2,3,3-四甲基丁烷 1, AB ; 2, AB 碳原子相同，异构体对称性越好，则在晶格 中填充得越好，熔点越高 烷烃和环烷烃的物理性质比较 环烷烃有相对较大的刚性和较好的对称性，分子间作用力较强，结合更紧密。 因此熔点、沸点和相对密度高于碳原子数相同的烷烃。 烷烃的天然来源 烷烃的来源石油和天然气 天然气的主要成分为低级烷烃（ 75甲烷，15乙烷，5丙 烷，5%其它较高级的烷烃）的混合物。 石油的主要成分是各种烃类(烷烃、环烷烃和芳香烃等)的复杂 混合物 可燃冰天然气水化合物，化学式为CH48H2O 烷烃的天然来源 烷烃的天然来源 烷烃和环烷烃的化学性质烷烃和环烷烃的化学性质 主要内容主要内容 uu烷烃的氯代和溴代反应，烷烃卤代的自由基机理烷烃的氯代和溴代反应，烷烃卤代的自由基机理 uu自由基链反应的步骤（链引发、链传递和链终止）自由基链反应的步骤（链引发、链传递和链终止） uu反应的势能变化，反应的过渡态反应的势能变化，反应的过渡态 uu卤代反应的选择性，自由基的稳定性卤代反应的选择性，自由基的稳定性 uuHammondHammond有关过渡态结构假说有关过渡态结构假说 C C H H 电负性电负性 2.5 2.5 2.22.2 l l 烷烃的结构烷烃的结构 1 1 烷烃的化学性质烷烃的化学性质 l l 一般情况下烷烃化学性质一般情况下烷烃化学性质不活泼、耐酸碱不活泼、耐酸碱（常用作低极性溶（常用作低极性溶 剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等）剂，如正己烷、正戊烷、石油醚等） spsp 3 3 杂化杂化 已饱和已饱和 不能加成不能加成 低极性低极性 共价键共价键 H H 酸性小酸性小 不易被置换不易被置换 l l 烷烃可与卤素发生烷烃可与卤素发生自由基取代反应自由基取代反应（烷烃的重要反应）（烷烃的重要反应） 1.1. 甲烷的卤代反应甲烷的卤代反应 （氯代氯代和和溴代溴代反应）反应） l l 甲烷的氯代反应甲烷的氯代反应 反应特点反应特点: : (1)(1)反应需光照或加热。反应需光照或加热。 (2)(2)光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。光照时吸收一个光子可产生几千个氯甲烷（反应有引发过程）。 (3)(3)有有OO 2 2 存在时反应延迟，过后正常。延迟时间与存在时反应延迟，过后正常。延迟时间与OO 2 2 量有关。量有关。 l l 甲烷与其它卤素的反应甲烷与其它卤素的反应 反应速率反应速率: : F F 2 2 Cl Cl 2 2 Br Br 2 2 I I 2 2 （不反应）（不反应） F F 2 2 ：反应过分剧烈、较难控制反应过分剧烈、较难控制 ClCl 2 2 ：正常（常温下可发生反应）：正常（常温下可发生反应） BrBr 2 2 ：稍慢（加热下可发生反应）：稍慢（加热下可发生反应） I I2 2 ：不反应。即使反应不反应。即使反应, , 其逆反应易进行其逆反应易进行 主要讨论的内容 2.2. 甲烷的卤代反应机理（反应机制，反应历程）甲烷的卤代反应机理（反应机制，反应历程） （Reaction MachanismReaction Machanism） 什么是反应机理：什么是反应机理： 反应机理是对反应过程的详细描述，应解释以下问题：反应机理是对反应过程的详细描述，应解释以下问题： l 反应条件起什么作用？反应条件起什么作用？ l l 决速步骤是哪一步？决速步骤是哪一步？ l l 副产物是如何生成的？副产物是如何生成的？ l 反应是如何开始的？反应是如何开始的？ l l 产物生成的合理途径？产物生成的合理途径？ l l 经过了什么中间体？经过了什么中间体？ 研究反应机理的意义：研究反应机理的意义： l l 了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。 l l 发现反应的一些规律，指导研究的深入。发现反应的一些规律，指导研究的深入。 n n 甲烷的卤代机理甲烷的卤代机理 自由基取代机理自由基取代机理 机理需要解释的几个主要问题：机理需要解释的几个主要问题： 光或加热的作用光或加热的作用 反应的反应的链现象链现象（为何光照时，吸收一个光子可产生几千个（为何光照时，吸收一个光子可产生几千个 CHCH 3 3 X X？）？） 有有 OO 2 2 时反应的时反应的延迟现象延迟现象 反应速率：反应速率：氯代氯代 溴代溴代 产物产物CHCH 3 3 X X和和H HX X生成的合理途径生成的合理途径 l l 甲烷的甲烷的氯代氯代反应过程分析反应过程分析 氯自由基 甲基自由基 （自由基消失, 反应终止） 有效碰撞（产生新的自由基） 无效碰撞（净结果=0） 接上页接上页 有效碰撞(产生CH3Cl和Cl.) 自由基消失，反应终止 净结果=0 接上页接上页 自由基完全消失自由基完全消失 ，反应终止，反应终止 l l 甲烷的甲烷的氯代氯代反应机理的表达反应机理的表达 自由基型自由基型链反应（链反应（chain reactionchain reaction） 自由基自由基 中间体中间体 第(2), (3)步反应重复进行 l l 甲烷的甲烷的溴代溴代反应机理反应机理 l l 甲烷卤代机理的循环表达式甲烷卤代机理的循环表达式 循环循环 引发引发 产物产物 产物产物 自由基自由基中间体中间体 机理应解释 的实验现象 ? O2 存在时有延迟现象 ? 反应速率：氯代 溴代 产物的生成产物的生成 光或加热的作用光或加热的作用 链现象链现象 l l OO 2 2 存在时反应的延迟现象存在时反应的延迟现象 OO 2 2 ：自由基抑制剂自由基抑制剂 较稳定,活性低 l l 机理的决速步骤机理的决速步骤（以氯代为例）（以氯代为例） D D H H( (反应热反应热) ) + 7.5 kJ/mol 吸热 112.9 kJ/mol 放热 决速步骤决速步骤 l l 甲烷氯代的势能变化图甲烷氯代的势能变化图 过渡态过渡态: : 势能最高 处的原子排列， Ea：活化能（ activation energy）； DH: 反应热 n n 过渡态过渡态(Transition State)理论理论 在化学反应中，反应物相互接近，总是先达到一势能最高点在化学反应中，反应物相互接近，总是先达到一势能最高点 （活化能活化能，相应结构称为，相应结构称为过渡态过渡态），然后再转变为产物。），然后再转变为产物。 例：机理步骤例：机理步骤(2)(2) 过渡态过渡态 势能增加势能降低 过渡态过渡态：反应物转变为产物的中间状态，反应物转变为产物的中间状态，（推测的）势能最高处推测的）势能最高处 的原子排列，的原子排列，寿命寿命= 0= 0，无法测得。，无法测得。 中间体：中间体：反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，中间体中间体 一般很活泼，但可通过实验方法观察到。一般很活泼，但可通过实验方法观察到。 对比对比 势能最高 l l 氯代和溴代反应速率的差别氯代和溴代反应速率的差别 决速步骤速率的差别决速步骤速率的差别 氯代氯代溴代溴代 解释下列现象： 1. 氯气先光照，在黑暗放置一会儿后，再与甲烷混合，不反应 2. 氯气光照后，立即在黑暗中与甲烷混合，反应 3. 甲烷光照后，立即在黑暗中与氯气混合，不反应 解释等摩尔的甲烷和乙烷混合进行一氯代反应， 得到CH3Cl和C2H5Cl的比例为1400。 解答：CH3CH2的稳定性大于CH3，易于生成。 多取代甲烷的生成 3.3. 其它