碳化合物的化学性质

碳氢化合物是最丰富的碳化合物，例如烷烃、烯烃和炔烃。我们现在将讨论碳氢化合物的一些化学性质，它们是碳化合物。燃烧反应、取代反应和加成反应是这里将讨论的化学性质。所有类型的烃（饱和和不饱和）都可以用于燃烧反应，但只有饱和烃（或烷烃）可以用于取代反应，只有不饱和烃可以用于加成反应（烯烃和炔烃）。这些反应将在下面进一步讨论。

什么是燃烧反应？

Combustion is the process of burning a carbon compound in the air to produce carbon dioxide, water, heat, and light. Burning is another term for combustion. The majority of carbon compounds burn in the air, producing a great deal of heat. Alkanes, for example, burn in air to produce a lot of heat, making them good fuels. 

碳化合物的燃烧反应

考虑燃烧甲烷，这是一种常见的烷烃，是天然气的重要组成部分。

当甲烷或天然气在充足的空气供应下燃烧时，会产生二氧化碳和水蒸气以及大量热量。

CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O + 热 + 光
(甲烷) (氧气) (二氧化碳) (水)

甲烷或天然气在家庭、交通和工业中被用作燃料，因为它在燃烧时会产生大量热量。丁烷 (C ₄ H ₁₀ ) 是我们在家中使用的烹饪气体 (LPG) 的主要成分。当丁烷（或液化石油气）在燃气灶燃烧器的空气中燃烧时，会产生二氧化碳和水蒸气，以及大量的热量和光。由于这个原因，丁烷或液化石油气是一种很好的燃料。

• 饱和碳氢化合物的燃烧——饱和碳氢化合物，通常被称为烷烃，在空气中燃烧时会发出蓝色的、无烟的火焰。这是由于饱和烃中碳的比例相对较低，完全被空气中的氧气氧化。但是，如果空气和燃烧所需的氧气减少或受到限制，即使是饱和碳氢化合物也会发生不完全燃烧，从而产生烟灰火焰和大量黑烟。我们家中使用的燃气灶和煤油灶包括用于空气的小孔或进气口，以确保有足够的氧气可用于完全的燃料燃烧和无烟的蓝色火焰。当燃气灶的火焰变成蓝色时，燃料已完全燃烧。当煤气炉或煤油炉中的燃料完全烧尽，留下蓝色火焰时，炊具底部从外面看是干净的。它不会变黑。然而，在燃气灶中，如果燃料没有充分燃烧，则会形成煤烟，从外面使炊具底部变黑。
• 不饱和碳氢化合物的燃烧——不饱和碳氢化合物，也称为烯烃和炔烃，在空气中燃烧时会产生黑烟，并带有黄色、乌黑的火焰。例如，乙烯和乙炔在空气中燃烧时会发出煤烟。由于不饱和碳氢化合物中碳的百分比高于烷烃，烷烃在空气中的氧气中不会完全氧化，因此它们燃烧时带有煤烟。空气中仅含有约 21% 的氧气，这不足以使含碳量高的不饱和碳氢化合物充分燃烧。另一方面，不饱和碳氢化合物将完全在纯氧中燃烧，产生无烟的蓝色火焰。乙炔是一种乙炔，是不饱和烃的一个例子。由于燃烧不完全，乙炔在空气中燃烧着极其浓重的烟灰火焰。产生的火焰没有高温。当乙炔和纯氧结合燃烧时，乙炔完全燃烧，产生蓝色火焰。

什么是取代反应？

A substitution reaction occurs when one or more hydrogen atoms in a hydrocarbon are replaced by other atoms such as chlorine. Chlorination is defined as the substitution of hydrogen atoms with chlorine. 

饱和烃或烷烃以其取代反应（例如氯化）而闻名。不饱和烃与卤素发生加成反应而不是取代反应。另一方面，在有阳光的情况下，饱和碳氢化合物会发生氯取代反应。由于它们只有碳-碳单键，饱和烃或烷烃相对不活泼。饱和碳氢化合物不会与许多物质发生反应，因为它们是不活泼的。我们现在将讨论甲烷和氯的替代过程。

甲烷与氯的取代反应

在有阳光的情况下，甲烷与氯反应生成氯甲烷和氯化氢。 ₃

CH ₄ + Cl ₂ → CH ₃ Cl + HCl
(甲烷) (氯) (氯乙烷) (氯化氢)

在该反应中，甲烷的一个 H 原子被一个 Cl 原子取代或取代，从而将 CH ₄变为 CH ₃ Cl。

在甲烷-氯反应中，只有一个甲烷的氢原子被一个氯原子取代，产生氯甲烷，CHCl。通过提供额外的氯，可以将甲烷中的所有氢原子一个一个地替换为氯。我们可以用这种方法制造另外三种化学物质：二氯甲烷或二氯甲烷，CH ₂ Cl ₂ ，三氯甲烷或氯仿，CHCl ₃ ，以及四氯甲烷或四氯化碳，CCl ₄ 。饱和烃包括甲烷CH ₄ 、乙烷C ₂ H ₆ 、丙烷C ₃ H ₈ 、丁烷C ₄ H ₁₀等。结果，所有这些化合物都会发生氯取代反应。

什么是加成反应？

An addition reaction occurs when an unsaturated hydrocarbon reacts with another chemical to produce a single product. Unsaturated hydrocarbons are known for their addition reactions, which include the addition of hydrogen, chlorine, or bromine. 

所有具有双键或三键的不饱和烃也提供加成反应。换句话说，所有烯烃和炔烃都提供加成反应。让我们看一个加成反应，该反应涉及将氢添加到具有碳-碳双键的不饱和烃中。

乙烯与氢气的加成反应

当乙烯在镍催化剂存在下加热时，它与氢气结合生成乙烯。

CH ₂ =CH ₂ + H ₂ → CH ₃ -CH ₃ (在Ni催化剂存在下)
(乙烯) (氢) (乙烷)

在这个反应中，乙烯的每个 C 原子上加一个 H 原子，使乙烯中的双键打开并形成一个单键。将一分子氢加到具有双键的不饱和烃上，生成具有单键的饱和烃，称为乙烷。通常，不饱和烃在催化剂如镍 (Ni) 的存在下添加氢气以产生饱和烃。将氢气加到不饱和烃中形成饱和烃的过程称为加氢。加氢过程在作为催化剂的镍金属存在下进行。

• 仅讨论了氢与不饱和烃的加成反应。其他元素，例如氯 (Cl ₂ ) 和溴 (Br ₂ )，也可以添加到烯烃和炔烃等不饱和化合物中。
• 由于溴被用作不饱和化学品的测试，因此特别重要。为此目的，溴以溴水的形式使用。溴水是溴在水中的溶液。
• 溴水中存在溴使其呈红棕色。当溴水加入不饱和化合物时，溴被加入，溴水的红棕色被排出，使不饱和分子无色。
• 因此，如果有机化学物质使溴水脱色，则它是具有双键或三键的不饱和化合物。
• 所有不饱和分子，如烯烃和炔烃，都会使溴水脱色，但饱和化合物，如烷烃，则不会。
• 由于乙烯和乙炔是不饱和化学品，它们会使溴水脱色，但甲烷和乙烷是饱和烃，不会使溴水脱色。

Test to distinguish between cooking oil and butter.

The bromine water test can spot the difference between cooking oil and butter chemically. In separate test tubes, mix bromine water with a little cooking oil and butter.

• Bromine water decolorizes when cooked in oil, indicating that it is an unsaturated compound.
• Since butter does not discolor bromine water, it is a saturated compound.

示例问题

问题1：解释为什么使用碳化合物作为燃料？

回答：

Carbon and its compounds are utilized as fuels because they release a lot of heat energy when they burn in the air.

问题2：是什么原因导致我们家中的炊具底部变黑？

回答：

If the gas stove’s air openings become clogged and the fuel does not burn entirely, a sooty flame is produced, which blackens the bottoms of our kitchen utensils.

问题3：提到不完全燃烧的一些弊端？

回答：

Some drawbacks of incomplete combustion are.

• Unburned carbon in the form of soot pollutes the atmosphere, blackens cooking utensils, and clogs factory chimneys due to incomplete combustion.
• Incomplete combustion also results in the production of carbon monoxide, a highly toxic gas.
• The heat produced by incomplete combustion of a fuel is less than that produced by complete combustion.

问题4：为什么不将乙炔和氧气混合在一起进行焊接？

回答：

Since incomplete combustion of acetylene and oxygen generates a sooty flame that is not hot enough to melt metals for welding, the mixture of acetylene and oxygen is not used for welding.

问题5：为什么乙烯而不是乙烷可以使溴水脱色？

回答：

When bromine water is added to an unsaturated compound, bromine is added, and the red-brown color of bromine water is discharged, leaving the unsaturated molecule colorless. Ethene decolorizes bromine water because it is an unsaturated hydrocarbon. However, since ethane is a saturated hydrocarbon, it has no effect on the color of bromine water.