9-1 化學/碳化合物

有機化學簡介

原油、烴和烷烴

原油是一種存在於岩石中的有限資源。它來自古代生物量（主要是浮游生物）的殘骸，這些生物量被埋在泥土中。

原油是由許多種化合物組成的混合物。大多數化合物是烴，只由氫原子和碳原子組成的分子。烴有不同的形式，但最常見的型別是烷烴。烷烴是同系物；它們具有相似的性質，並遵循一定的化學式規律。烷烴的通式為

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

這由系列中的前 4 個烷烴證明

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

我們也可以透過將碳鍵寫成中心，並將所有其他邊用氫原子填充來繪製烷烴的結構圖。例如，丁烷的圖看起來像這樣

分餾和石油化學品

雖然原油是許多不同烴的混合物，但我們可以透過分餾將烴分離成具有相似碳原子數量的餾分。分餾塔具有溫度梯度，塔底最熱，塔頂最冷。最長的烴首先流出，最短的烴具有較低的沸點，在塔頂流出。

這些餾分可以加工生產燃料和石油化工行業所需的原料。我們依賴的許多燃料都來自原油，例如汽油、柴油、煤油、重油和石油氣。它們被用於生產許多有用的材料，如溶劑、潤滑劑、聚合物和洗滌劑。

所有這一切都要歸功於碳原子形成相似化合物族（同系物）的驚人能力。

烴的性質

左邊的流體比右邊的流體具有更高的粘度。左邊代表一個小的烴，右邊代表一個較長的烴。

較小的烴，按分子大小排列，具有

更高的粘度（流動更容易）
更易揮發
具有較低的沸點
並且具有更高的可燃性（更容易點燃）。

較長的烴具有

更高的沸點
較低的粘度
不易揮發
並且可燃性低。

這些性質導致烴餾分的使用方式非常不同。最長的烴，瀝青，用於道路瀝青。此外，較長的烴用作大型車輛或系統的燃料，例如重油用作發電站和船舶的燃料，而較短的烴，如汽油，用作汽車的燃料。最小的烴，液化石油氣，用作烹飪和房屋供暖的燃料。

烴的燃燒

燃燒烴燃料以釋放能量。這被稱為**燃燒**，所有燃燒反應都是放熱的；它們將能量釋放到環境中。當氧氣（來自空氣）供應充足時，燃燒反應是完全的，並遵循以下模式

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

該反應釋放出最大量的能量，被稱為**完全燃燒**。以下是乙烷完全燃燒的化學方程式

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

燃燒反應是化學課程中唯一允許出現半個分子的情況，或者你可以將所有東西都翻倍。在**不完全燃燒**中，會生成一氧化碳而不是二氧化碳

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

裂化和烯烴

Bromine water which allows us to identify alkenes from alkanes and other hydrocarbons. — 溴水可以用來鑑別烯烴和烷烴以及其他碳氫化合物。

**裂化**是指碳氫化合物分解成更小的分子，這些分子通常更有用。裂化也是**熱分解**反應的一個例子，其中分子透過加熱分解。

**催化裂化**是指使用催化劑提供替代的反應途徑，降低碳氫化合物分解所需的溫度（約 500 攝氏度）和壓力。使用的催化劑通常是沸石，其中含有氧化鋁和氧化矽。另一方面，蒸汽（熱）裂化不使用催化劑，因此需要更高的溫度（約 800 攝氏度）和壓力。催化裂化更便宜，因此是裂化碳氫化合物的首選方法。

裂化的產物包括更小的烷烴和另一種被稱為烯烴的碳氫化合物。

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

烯烴與烷烴的命名方式相同，只是以 -ene 結尾，而不是 -ane。乙烯是最小的烯烴（沒有甲烯這種物質！）。

烯烴的通式是

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

如果你還記得，更小的烯烴碳氫化合物被用作小型車輛（如汽車）的燃料，因此對更小的碳氫化合物的燃料需求要高得多。烯烴被用來生產聚合物，並作為許多其他化學物質的起始原料。

繪製烯烴

所有烯烴都含有一個碳雙共價鍵， ${\ce {C=C}}$ ，而烷烴只有單鍵。以下是乙烯的結構圖

繪製更大的烯烴

從乙烯的 ${\ce {C=C}}$ 的一側切掉一個氫原子。
繪製出碳原子的數量，並將它們連線在一起，例如丁烯： ${\ce {C=C-C-C}}$ （記住左側仍然應該有兩個氫原子）
用氫原子填充所有側面，除了
1. 雙鍵中另一個碳原子應該只有一個氫原子。
2. 末端應該有一個氫原子。

這就是丁烯的結構式

烯烴的檢驗

烯烴比烷烴更活潑，因此與溴水（一種橙色的溴溶液）反應，使溴水褪色變成無色溶液。烷烴不會發生這種反應。

快速問答

能量的定義是什麼？

系統（物體或物體組）可能發生的最大變化。

兩種主要型別的能量儲存是什麼？它們之間的區別是什麼？

與運動有關的能量儲存（動能）和與物體在空間中的位置有關的勢能儲存。

能量的測量單位是什麼？

焦耳

比熱容是什麼？

使 1 公斤物質升溫 1

{\text{°C}}

所需的能量。

功率是什麼？

能量傳遞的速率。

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