2.1　烷烃的结构

烷烃分子中，碳原子均通过sp³杂化形成四个等同的原子轨道与其他碳或氢原子成单键（σ键），C—H σ键和C—C σ键的平均键长分别为1.10 Å和1.54 Å，键角接近109.5°。

甲烷（CH₄）是烷烃中最简单的分子，分子中的碳原子以四个sp³杂化轨道分别与四个氢原子的1s轨道重叠，形成四个等同的C—H σ键，整个分子呈正四面体的空间结构，碳原子位于中心，四个氢原子在正四面体的四个顶点。如图2-1所示。

图2-1　甲烷分子的形成过程

为了更好地观察分子的立体形状，常用球-棍模型（也叫Kekülé模型）或比例模型（space filling model，又叫Stuart-Briegleb模型）。球-棍模型是用不同颜色的小球代表不同的原子，以短棒表示原子之间的键，可以直观地表示原子在空间的相对位置。比例模型则是按照原子半径和键长的比例制成的，相对球-棍模型而言，更能真实地表示分子的立体形状，但是所表示的价键的分布却不如球-棍模型明显。对结构复杂的分子，写出立体模型相当困难，因此一般情况下仍采用平面结构式，如图2-2所示。

图2-2　甲烷的结构示意图

乙烷（C₂H₆）分子中的碳原子也是sp³杂化的。两个碳原子各以一个sp³轨道重叠形成C—C键，各自又以三个sp³轨道分别与氢原子1s轨道重叠形成C—H键，如图2-3所示。

图2-3　乙烷分子的形成过程

从上述原子轨道重叠示意图中可以看出，σ键中成键原子的电子云是沿着键轴方向重叠的，近似于圆柱形对称分布，两个成键原子可绕键轴自由旋转。

烷烃的分子组成可用通式C_nH_2n+2表示，n表示碳原子数目。

具有同一个分子通式，结构上只相差一个CH₂或其整数倍的一系列化合物称为同系列（homologous series）。同系列中的各化合物互称为同系物（homolog）。其中CH₂称为同系列差。同系列是有机化学中存在的普遍现象，同系物一般结构相似，并且具有相似的化学性质，但反应速率往往有较大的差异，物理性质也随着碳链的增长而表现出有规律的变化，同系列中的第一个化合物常具有特殊的性质。因此，我们既要认识同系物的共性，又要了解它的个性，掌握了同系列这一辩证规律性，就会给学习和研究有机化学带来不少方便。