【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。   

第一章烃——Ⅰ饱和链烃

§1-1甲烷

【01】根据有机物的组成来看，有一大类物质，它们的分子是仅由碳和氢两种元素所组成的，我们把这类物质叫做烃【烃（音听，碳氢切tīng）用“火”表示有可燃性，用“𢀖”表示它是碳和氢的化合物。碳为一切有机物所共有，虽未在字形上有所表示，但在读音中可以显示出来】，也叫碳氢化合物。这一类有机物的来源主要是天然气、石油和煤的加工产物。本章要研究各种重要的烃。

【嵓语：太长见识了，“烃”这个字我以前一直误读作“qing”。刚看到教材说应读tīng时，我第一反应还是印刷错误，但看完解释，我是心服口服，太有理有据了，一查字典，果然念tīng。首先这个读音是碳氢切，以表烃是碳氢化合物，而字形取“氢”的“𢀖”部分以强调烃区别于其他种类有机物的最明显的特征就是氢元素，这造字逻辑太严谨了。】

【02】甲烷是最简单的烃，在理论上可以说它是一切有机物的母体。在自然界里甲烷有多种来源，其中比较集中的是蕴藏在地层里的天然气。天然气是一种可燃性气体，又称为“天然煤气”，它的主要成分就是甲烷（以体积计约占85~95%）。天然气通过地层裂口，或由人工凿井而冒出地面，成为人类利用的重要资源。我国早在汉末晋初时，四川自贡市一带就有人开始钻井使用天然气了，到了宋朝，已经大规模用来煎制井盐。所以我国四川是世界上著名的天然气产地之一。天然气的形成，据科学家的研究，认为是和石油的形成相一致的。由于甲烷等是分子量比较小的烃，在常温下成气态，所以天然气往往和石油矿共存，或蕴藏在石油产区的附近。

【03】甲烷除来自天然气外，还存在于自然界的其他地方，例如不常流动的静水池沼底下，当沉积的有机物受着菌类的发酵作用时，会产生气体冒出水面来。因为它源出于池沼，所以称为沼气。另外，在煤的形成过程中，植物残体在隔绝空气下进行分解，也有同样的气体产生，由于在煤井的坑道中发现，所以就称为坑气。沼气、坑气和天然煤气一样，它们的主要成分都是甲烷。

甲烷的物理性质

【04】甲烷是无色、无嗅、无味的气体。它的比重是0.717克/升，约比空气轻一半，和相同状况（相同的温度和压力）下同体积空气的重量比是0.5517。甲烷很难溶解于水，在20℃时，每1升的水约能溶解33毫升。

甲烷的分子式和分子结构

【05】甲烷是可以燃烧的，从它的燃烧产物二氧化碳和水蒸气的定量测定，知道甲烷分子里仅仅含有碳和氢两种元素。

【06】从甲烷的比重，可以算出它的1克分子重16.061克（0.717×22.4），可见它的分子量约等于16，根据分子量和重量组成，可以确定甲烷的分子式是CH₄（具体计算方法，可参阅第三册第六章）【山注，化3-6-03，传送门CV21979453】。

【07】甲烷分子里的一个碳原子和四个氢原子是怎样结合成分子的呢？我们知道，碳原子的最外层有四个电子（可以用简单的图式表示），而氢原子外层只有一个电子。因此，每一个碳子可以和四个氢原子分别形成共价键。甲烷分子就是通过碳原子和氢原子之间的共用电子对而形成的。这样使得有关原子都具有稳定的电子外层（碳原子8个，氢原子2个）。

【08】甲烷的分子结构可以用下式表示：

【09】前者称为电子式，后者称为结构式。元素符号间的“：”表示共用电子对，也就是相当于结构式中的“一”，这种短划是写有机物结构式时用来表示价键的符号。

【10】甲烷的分子结构，是不是象上面所写的那样，碳原子和四个氢原子都在同一个平面上呢？根据碳原子正四面体学说，认为碳原子是处在一个正四面体的中心，它的四个价键，由中心指向四面体的四个顶点，和四个氢原子以相同的价键结合，如图1·1(a)。我们也可以用不同颜色的小球代表不同的原子，以短棒代表价键，做成如图1·1(b)的甲烷分子模型。一般为了方便起见，写的结构式是模型在平面上的投影（如图1·1(c)）。所以甲烷分子的实际结构是碳原子和四个氢原子并不在同一个平面上的。

甲烷的化学性质

1、可燃性

【11】甲烷可以燃烧，在氧气充足的情况下，全部变为CO₂和H₂O，发出淡蓝色火焰，并放出大量的热：

【12】由上式可知，1克分子体积的甲烷（22.4升）和2克分子体积的氧气（2×22.4升）可以完全反应。也就是甲烷和氧气完全反应时的体积之比是1：2；如果换了空气，那末体积之比就是1：10，因为空气里约含有1/5体积的氧气。当甲烷和氧气在极短时间里完全反应时，由于放出大量的热使温度突然升高，而且反应生成物又都是气体，体积骤然膨胀，结果就能发生猛烈的爆炸。甲烷的这种性质，使煤井里有可能发生爆炸。但是由于人类掌握了它的爆炸规律，就设法改进矿井的通风和照明设备，从而防止事故的发生，使生产得以安全地在地下进行。

【13】如果氧气供给不充分，甲烷的燃烧便不完全，燃烧时有黑烟产生：

2、受热分解

【14】甲烷在隔绝空气强热时，随着温度的高低而有不同的两种分解反应。把甲烷加热到1000~1100℃，甲烷分解为它的组成元素——碳和氢。

【15】如果在1500℃电弧的高温下，甲烷分解为氢气和乙炔（读做缺quē）：

【山注：乙炔是一种可燃性气体，俗名叫做电石气，在氧气中燃烧可以产生极高的温度，故常用来切割焊接金属制品。另外此处甲烷虽然可以分解生成乙炔，不过焊接时使用的乙炔一般是由碳化钙（俗名电石）和水作用制得。具体内容可参阅化1-2-04第2~4段，传送门CV20367213】

3、稳定性

【16】在通常情况下，甲烷的化学性质很不活泼。我们用试管装几毫升淡紫色的高锰酸钾溶液（加稀硫酸几滴)，并通进甲烷，溶液的紫红色不会消失，证明甲烷不能被强氧化剂如高锰酸钾溶液所氧化。同时甲烷也不跟强酸（H₂SO₄，HNO₃）或强碱（NaOH，KOH）起反应。

4、跟卤素的取代反应

【17】甲烷在常温下能跟氯气或溴起反应。我们可以通过下面的实验来说明：

【18】用一个大玻璃筒，把筒的容积划成五等分，在筒壁上做好标记。筒内装满饱和食盐水【氯气不溶于饱和食盐水】，倒插在盛有食盐水的玻璃缸里。在光线较暗的地方【在阳光直射下，甲烷和氯气会引起爆炸】，从筒口通入甲烷，使筒内盐水排出到标记1的地方。接着改通氯气，使筒内的盐水排尽。这样甲烷和氯气体积的比是1：4（如图1·2(a)）。

【19】收集在筒内的氯气，本来是黄绿色，隔了一段时间后，看到颜色逐渐变淡，筒壁上有油状液滴出现，同时食盐水的液面，也向筒内上升（如图1·2(b)）。

【20】根据实验中液面上升的现象，我们知道筒内的气体压强减小了；油状液滴的出现和黄绿色的消失，说明甲烷跟氯气在光照下直接反应生成了新物质。经过研究知道，生成物是一系列的甲烷氯代物的混和物以及易溶的氯化氢气体，反应是分步进行的：

【21】氯原子进入甲烷分子里，把氢原子逐个代替了出来。这一类反应在有机化学中称为取代反应。也就是在有机化合物分子中的氢原子，被其他原子或原子团所代替的反应，叫做取代反应。

【22】甲烷分子里的氢原子被卤素的原子取代，这种取代称为卤代。由于卤代反应而生成的新的有机物，称为甲烷的卤代物，象一氯甲烷、二氯甲烷、……等，都是甲烷的卤（氯）代物。

【23】这里还要说明一个新概念，就是把甲烷作为母体，经过卤代反应，生成了一氯甲烷等四种卤代物。这些新物质，显然是由甲烷衍变而产生的，所以它们也叫做甲烷的衍生物。（关于衍生物在第二章里还要讨论)

甲烷的用途

【24】根据上面所述的性质，甲烷具有下列各种用途：

1、燃料

【25】甲烷在燃烧时能放出大量的热，因此在家庭或工业上可用作为气体燃料。

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机溶剂。甲烷在不完全燃烧或高温下分解可得炭黑、氢气和乙炔。炭黑是制造印刷用的油墨和橡胶工业的原料之一；氢气用于氨和汽油的合成；乙炔可以用来合成橡胶、纤维和塑料等等。

甲烷的制取

【27】实验室制取甲烷，用无水醋酸钠CH₃COONa和碱石灰（氢氧化钠跟石灰的混和物）的两种粉末，按1：3（体积）混和均匀后，装在硬质试管里，使粉末斜铺在试管底部，管口配单孔塞和导管，把试管水平地（管口略向下倾斜）固定在铁台上。

【28】加热试管，由于碱石灰是氢氧化钠跟石灰的混和物，氢氧化钠跟醋酸钠进行反应而产生甲烷：

【29】甲烷从导管逸出，可以用排水法集取（装置如图1·3(a)）。

【30】制得甲烷后，我们可以检验它的性质。先观察它的物理性质，它是无色而又不溶于水的气体。在排尽空气后在导管口上点火，观察它的可燃性，并注意火焰颜色（火焰应该呈淡蓝色，但在玻璃导管上或加热过强时均带黄色）。用一只干燥的烧杯罩在火焰的上方，就能看到杯子边上产生水雾（图1·3(b)）；取下烧杯，倒入一些澄清的石灰水，石灰水变为浑浊，这就证明了甲烷的燃烧产物是二氧化碳和水。把甲烷的导管插入储有淡紫色的高锰酸钾酸性稀溶液（加稀H₂SO₄几滴）的试管中，使甲烷通过溶液（图1·3(c)），结果紫色不变，证明甲烷的稳定性，它不能为高锰酸钾所氧化，这些实验都能验证我们上面所讲的甲烷的性质。

【31】工业上需用的甲烷，主要来自天然气，有时也可以从炼焦煤气里提取（见§1-13煤的干馏部分）。

【32】在农村里，甲烷还可以通过发酵来制取。把含水90%左右的粪便、垃圾、杂草等放在密闭的发酵池里，让一种不需要空气能生存的甲烷菌(称为嫌气性甲烷菌)，在20~35℃的温度下进行发酵，经过3~5天就有甲烷和二氧化碳产生，甲烷含量约达65%左右。发酵过的粪便和垃圾，由于其中的蛋白质已被分解成氨，氨气在密闭的发酵池里受压溶解于水，因此肥效反而会增加好多倍。一个发酵池，只要控制好温度、湿度和发酵原料，每天按比例取出旧料，加入新料，就可以连续使用。所产生的沼气，可作为燃料和动力，用以发电、点灯、烧饭、开动汽车和拖拉机等。这样就节约了石油和煤炭的消耗，那是非常节约的办法。

习题1-1

1、天然气、沼气和坑气的主要成分都是甲烷，那末它们究竟是一种气体呢，还是三种不同的气体？为什么要这样分别命名？

2、甲烷的物理性质和化学性质在哪些方面跟氢气和一氧化碳很相似？它们燃烧之后的生成物有什么不同？能否以此来鉴别这三种气体？

3、什么叫做取代反应？这种反应和无机化学里的置换反应有什么区别？[提示：从生成物和电子得失两个方面考虑]

4、溴跟甲烷也能发生取代反应，反应过程和氯气跟甲烷的反应相似。写出溴跟甲烷取代反应的各步化学反应方程式。

5、1.12升（标准状况下）甲烷撚烧后生成多少克分子二氧化碳？多少克水？要空气多少升（假定空气中含氧1/5体积）？【CO₂0.05GM，H₂O1.8克，空气11.2升】

6、甲烷有哪些重要用途？这和甲烷的哪些性质有关？

7、实验室利用什么物质制取甲烷？写出反应方程式。用什么方法集取甲烷？这种集取法和它的什么性质有关？