【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。? ?

第一章烴——Ⅰ飽和鏈烴

§1-1甲烷

【01】根據(jù)有機(jī)物的組成來(lái)看，有一大類物質(zhì)，它們的分子是僅由碳和氫兩種元素所組成的，我們把這類物質(zhì)叫做烴【烴（音聽，碳?xì)淝衪īng）用“火”表示有可燃性，用“??”表示它是碳和氫的化合物。碳為一切有機(jī)物所共有，雖未在字形上有所表示，但在讀音中可以顯示出來(lái)】，也叫碳?xì)浠衔?。這一類有機(jī)物的來(lái)源主要是天然氣、石油和煤的加工產(chǎn)物。本章要研究各種重要的烴。

【嵓語(yǔ)：太長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)了，“烴”這個(gè)字我以前一直誤讀作“qing”。剛看到教材說(shuō)應(yīng)讀tīng時(shí)，我第一反應(yīng)還是印刷錯(cuò)誤，但看完解釋，我是心服口服，太有理有據(jù)了，一查字典，果然念tīng。首先這個(gè)讀音是碳?xì)淝?，以表烴是碳?xì)浠衔铮中稳　皻洹钡摹??”部分以強(qiáng)調(diào)烴區(qū)別于其他種類有機(jī)物的最明顯的特征就是氫元素，這造字邏輯太嚴(yán)謹(jǐn)了。】

【02】甲烷是最簡(jiǎn)單的烴，在理論上可以說(shuō)它是一切有機(jī)物的母體。在自然界里甲烷有多種來(lái)源，其中比較集中的是蘊(yùn)藏在地層里的天然氣。天然氣是一種可燃性氣體，又稱為“天然煤氣”，它的主要成分就是甲烷（以體積計(jì)約占85~95%）。天然氣通過(guò)地層裂口，或由人工鑿井而冒出地面，成為人類利用的重要資源。我國(guó)早在漢末晉初時(shí)，四川自貢市一帶就有人開始鉆井使用天然氣了，到了宋朝，已經(jīng)大規(guī)模用來(lái)煎制井鹽。所以我國(guó)四川是世界上著名的天然氣產(chǎn)地之一。天然氣的形成，據(jù)科學(xué)家的研究，認(rèn)為是和石油的形成相一致的。由于甲烷等是分子量比較小的烴，在常溫下成氣態(tài)，所以天然氣往往和石油礦共存，或蘊(yùn)藏在石油產(chǎn)區(qū)的附近。

【03】甲烷除來(lái)自天然氣外，還存在于自然界的其他地方，例如不常流動(dòng)的靜水池沼底下，當(dāng)沉積的有機(jī)物受著菌類的發(fā)酵作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣體冒出水面來(lái)。因?yàn)樗闯鲇诔卣樱苑Q為沼氣。另外，在煤的形成過(guò)程中，植物殘?bào)w在隔絕空氣下進(jìn)行分解，也有同樣的氣體產(chǎn)生，由于在煤井的坑道中發(fā)現(xiàn)，所以就稱為坑氣。沼氣、坑氣和天然煤氣一樣，它們的主要成分都是甲烷。

甲烷的物理性質(zhì)

【04】甲烷是無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)味的氣體。它的比重是0.717克/升，約比空氣輕一半，和相同狀況（相同的溫度和壓力）下同體積空氣的重量比是0.5517。甲烷很難溶解于水，在20℃時(shí)，每1升的水約能溶解33毫升。

甲烷的分子式和分子結(jié)構(gòu)

【05】甲烷是可以燃燒的，從它的燃燒產(chǎn)物二氧化碳和水蒸氣的定量測(cè)定，知道甲烷分子里僅僅含有碳和氫兩種元素。

【06】從甲烷的比重，可以算出它的1克分子重16.061克（0.717×22.4），可見(jiàn)它的分子量約等于16，根據(jù)分子量和重量組成，可以確定甲烷的分子式是CH?（具體計(jì)算方法，可參閱第三冊(cè)第六章）【山注，化3-6-03，傳送門CV21979453】。

【07】甲烷分子里的一個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子是怎樣結(jié)合成分子的呢？我們知道，碳原子的最外層有四個(gè)電子（可以用簡(jiǎn)單的圖式表示），而氫原子外層只有一個(gè)電子。因此，每一個(gè)碳子可以和四個(gè)氫原子分別形成共價(jià)鍵。甲烷分子就是通過(guò)碳原子和氫原子之間的共用電子對(duì)而形成的。這樣使得有關(guān)原子都具有穩(wěn)定的電子外層（碳原子8個(gè)，氫原子2個(gè)）。

【08】甲烷的分子結(jié)構(gòu)可以用下式表示：

【09】前者稱為電子式，后者稱為結(jié)構(gòu)式。元素符號(hào)間的“：”表示共用電子對(duì)，也就是相當(dāng)于結(jié)構(gòu)式中的“一”，這種短劃是寫有機(jī)物結(jié)構(gòu)式時(shí)用來(lái)表示價(jià)鍵的符號(hào)。

【10】甲烷的分子結(jié)構(gòu)，是不是象上面所寫的那樣，碳原子和四個(gè)氫原子都在同一個(gè)平面上呢？根據(jù)碳原子正四面體學(xué)說(shuō)，認(rèn)為碳原子是處在一個(gè)正四面體的中心，它的四個(gè)價(jià)鍵，由中心指向四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，和四個(gè)氫原子以相同的價(jià)鍵結(jié)合，如圖1·1(a)。我們也可以用不同顏色的小球代表不同的原子，以短棒代表價(jià)鍵，做成如圖1·1(b)的甲烷分子模型。一般為了方便起見(jiàn)，寫的結(jié)構(gòu)式是模型在平面上的投影（如圖1·1(c)）。所以甲烷分子的實(shí)際結(jié)構(gòu)是碳原子和四個(gè)氫原子并不在同一個(gè)平面上的。

甲烷的化學(xué)性質(zhì)

1、可燃性

【11】甲烷可以燃燒，在氧氣充足的情況下，全部變?yōu)?strong>CO?和H?O，發(fā)出淡藍(lán)色火焰，并放出大量的熱：

【12】由上式可知，1克分子體積的甲烷（22.4升）和2克分子體積的氧氣（2×22.4升）可以完全反應(yīng)。也就是甲烷和氧氣完全反應(yīng)時(shí)的體積之比是1：2；如果換了空氣，那末體積之比就是1：10，因?yàn)榭諝饫锛s含有1/5體積的氧氣。當(dāng)甲烷和氧氣在極短時(shí)間里完全反應(yīng)時(shí)，由于放出大量的熱使溫度突然升高，而且反應(yīng)生成物又都是氣體，體積驟然膨脹，結(jié)果就能發(fā)生猛烈的爆炸。甲烷的這種性質(zhì)，使煤井里有可能發(fā)生爆炸。但是由于人類掌握了它的爆炸規(guī)律，就設(shè)法改進(jìn)礦井的通風(fēng)和照明設(shè)備，從而防止事故的發(fā)生，使生產(chǎn)得以安全地在地下進(jìn)行。

【13】如果氧氣供給不充分，甲烷的燃燒便不完全，燃燒時(shí)有黑煙產(chǎn)生：

2、受熱分解

【14】甲烷在隔絕空氣強(qiáng)熱時(shí)，隨著溫度的高低而有不同的兩種分解反應(yīng)。把甲烷加熱到1000~1100℃，甲烷分解為它的組成元素——碳和氫。

【15】如果在1500℃電弧的高溫下，甲烷分解為氫氣和乙炔（讀做缺quē）：

【山注：乙炔是一種可燃性氣體，俗名叫做電石氣，在氧氣中燃燒可以產(chǎn)生極高的溫度，故常用來(lái)切割焊接金屬制品。另外此處甲烷雖然可以分解生成乙炔，不過(guò)焊接時(shí)使用的乙炔一般是由碳化鈣（俗名電石）和水作用制得。具體內(nèi)容可參閱化1-2-04第2~4段，傳送門CV20367213】

3、穩(wěn)定性

【16】在通常情況下，甲烷的化學(xué)性質(zhì)很不活潑。我們用試管裝幾毫升淡紫色的高錳酸鉀溶液（加稀硫酸幾滴)，并通進(jìn)甲烷，溶液的紫紅色不會(huì)消失，證明甲烷不能被強(qiáng)氧化劑如高錳酸鉀溶液所氧化。同時(shí)甲烷也不跟強(qiáng)酸（H?SO?，HNO?）或強(qiáng)堿（NaOH，KOH）起反應(yīng)。

4、跟鹵素的取代反應(yīng)

【17】甲烷在常溫下能跟氯氣或溴起反應(yīng)。我們可以通過(guò)下面的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明：

【18】用一個(gè)大玻璃筒，把筒的容積劃成五等分，在筒壁上做好標(biāo)記。筒內(nèi)裝滿飽和食鹽水【氯氣不溶于飽和食鹽水】，倒插在盛有食鹽水的玻璃缸里。在光線較暗的地方【在陽(yáng)光直射下，甲烷和氯氣會(huì)引起爆炸】，從筒口通入甲烷，使筒內(nèi)鹽水排出到標(biāo)記1的地方。接著改通氯氣，使筒內(nèi)的鹽水排盡。這樣甲烷和氯氣體積的比是1：4（如圖1·2(a)）。

【19】收集在筒內(nèi)的氯氣，本來(lái)是黃綠色，隔了一段時(shí)間后，看到顏色逐漸變淡，筒壁上有油狀液滴出現(xiàn)，同時(shí)食鹽水的液面，也向筒內(nèi)上升（如圖1·2(b)）。

【20】根據(jù)實(shí)驗(yàn)中液面上升的現(xiàn)象，我們知道筒內(nèi)的氣體壓強(qiáng)減小了；油狀液滴的出現(xiàn)和黃綠色的消失，說(shuō)明甲烷跟氯氣在光照下直接反應(yīng)生成了新物質(zhì)。經(jīng)過(guò)研究知道，生成物是一系列的甲烷氯代物的混和物以及易溶的氯化氫氣體，反應(yīng)是分步進(jìn)行的：

【21】氯原子進(jìn)入甲烷分子里，把氫原子逐個(gè)代替了出來(lái)。這一類反應(yīng)在有機(jī)化學(xué)中稱為取代反應(yīng)。也就是在有機(jī)化合物分子中的氫原子，被其他原子或原子團(tuán)所代替的反應(yīng)，叫做取代反應(yīng)。

【22】甲烷分子里的氫原子被鹵素的原子取代，這種取代稱為鹵代。由于鹵代反應(yīng)而生成的新的有機(jī)物，稱為甲烷的鹵代物，象一氯甲烷、二氯甲烷、……等，都是甲烷的鹵（氯）代物。

【23】這里還要說(shuō)明一個(gè)新概念，就是把甲烷作為母體，經(jīng)過(guò)鹵代反應(yīng)，生成了一氯甲烷等四種鹵代物。這些新物質(zhì)，顯然是由甲烷衍變而產(chǎn)生的，所以它們也叫做甲烷的衍生物。（關(guān)于衍生物在第二章里還要討論)

甲烷的用途

【24】根據(jù)上面所述的性質(zhì)，甲烷具有下列各種用途：

1、燃料

【25】甲烷在燃燒時(shí)能放出大量的熱，因此在家庭或工業(yè)上可用作為氣體燃料。

2、化工原料

【26】由甲烷可以制得它的氯代物，其中的氯仿和四氯化碳都是重要的有機(jī)溶劑。甲烷在不完全燃燒或高溫下分解可得炭黑、氫氣和乙炔。炭黑是制造印刷用的油墨和橡膠工業(yè)的原料之一；氫氣用于氨和汽油的合成；乙炔可以用來(lái)合成橡膠、纖維和塑料等等。

甲烷的制取

【27】實(shí)驗(yàn)室制取甲烷，用無(wú)水醋酸鈉CH?COONa和堿石灰（氫氧化鈉跟石灰的混和物）的兩種粉末，按1：3（體積）混和均勻后，裝在硬質(zhì)試管里，使粉末斜鋪在試管底部，管口配單孔塞和導(dǎo)管，把試管水平地（管口略向下傾斜）固定在鐵臺(tái)上。

【28】加熱試管，由于堿石灰是氫氧化鈉跟石灰的混和物，氫氧化鈉跟醋酸鈉進(jìn)行反應(yīng)而產(chǎn)生甲烷：

【29】甲烷從導(dǎo)管逸出，可以用排水法集取（裝置如圖1·3(a)）。

【30】制得甲烷后，我們可以檢驗(yàn)它的性質(zhì)。先觀察它的物理性質(zhì)，它是無(wú)色而又不溶于水的氣體。在排盡空氣后在導(dǎo)管口上點(diǎn)火，觀察它的可燃性，并注意火焰顏色（火焰應(yīng)該呈淡藍(lán)色，但在玻璃導(dǎo)管上或加熱過(guò)強(qiáng)時(shí)均帶黃色）。用一只干燥的燒杯罩在火焰的上方，就能看到杯子邊上產(chǎn)生水霧（圖1·3(b)）；取下燒杯，倒入一些澄清的石灰水，石灰水變?yōu)闇啙?，這就證明了甲烷的燃燒產(chǎn)物是二氧化碳和水。把甲烷的導(dǎo)管插入儲(chǔ)有淡紫色的高錳酸鉀酸性稀溶液（加稀H?SO?幾滴）的試管中，使甲烷通過(guò)溶液（圖1·3(c)），結(jié)果紫色不變，證明甲烷的穩(wěn)定性，它不能為高錳酸鉀所氧化，這些實(shí)驗(yàn)都能驗(yàn)證我們上面所講的甲烷的性質(zhì)。

【31】工業(yè)上需用的甲烷，主要來(lái)自天然氣，有時(shí)也可以從煉焦煤氣里提?。ㄒ?jiàn)§1-13煤的干餾部分）。

【32】在農(nóng)村里，甲烷還可以通過(guò)發(fā)酵來(lái)制取。把含水90%左右的糞便、垃圾、雜草等放在密閉的發(fā)酵池里，讓一種不需要空氣能生存的甲烷菌(稱為嫌氣性甲烷菌)，在20~35℃的溫度下進(jìn)行發(fā)酵，經(jīng)過(guò)3~5天就有甲烷和二氧化碳產(chǎn)生，甲烷含量約達(dá)65%左右。發(fā)酵過(guò)的糞便和垃圾，由于其中的蛋白質(zhì)已被分解成氨，氨氣在密閉的發(fā)酵池里受壓溶解于水，因此肥效反而會(huì)增加好多倍。一個(gè)發(fā)酵池，只要控制好溫度、濕度和發(fā)酵原料，每天按比例取出舊料，加入新料，就可以連續(xù)使用。所產(chǎn)生的沼氣，可作為燃料和動(dòng)力，用以發(fā)電、點(diǎn)燈、燒飯、開動(dòng)汽車和拖拉機(jī)等。這樣就節(jié)約了石油和煤炭的消耗，那是非常節(jié)約的辦法。

習(xí)題1-1

1、天然氣、沼氣和坑氣的主要成分都是甲烷，那末它們究竟是一種氣體呢，還是三種不同的氣體？為什么要這樣分別命名？

2、甲烷的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)在哪些方面跟氫氣和一氧化碳很相似？它們?nèi)紵蟮纳晌镉惺裁床煌?？能否以此?lái)鑒別這三種氣體？

3、什么叫做取代反應(yīng)？這種反應(yīng)和無(wú)機(jī)化學(xué)里的置換反應(yīng)有什么區(qū)別？[提示：從生成物和電子得失兩個(gè)方面考慮]

4、溴跟甲烷也能發(fā)生取代反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程和氯氣跟甲烷的反應(yīng)相似。寫出溴跟甲烷取代反應(yīng)的各步化學(xué)反應(yīng)方程式。

5、1.12升（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）甲烷撚燒后生成多少克分子二氧化碳？多少克水？要空氣多少升（假定空氣中含氧1/5體積）？【CO?0.05GM，H?O1.8克，空氣11.2升】

6、甲烷有哪些重要用途？這和甲烷的哪些性質(zhì)有關(guān)？

7、實(shí)驗(yàn)室利用什么物質(zhì)制取甲烷？寫出反應(yīng)方程式。用什么方法集取甲烷？這種集取法和它的什么性質(zhì)有關(guān)？