3.1: 烷烃的结构

碳-碳键的形成是构建碳链的关键，进而奠定了有机化学的基础。 奥古斯特·凯库勒和阿奇博尔德·斯科特·库珀分别独立提出了碳链形成的概念。

碳氢化合物由碳和氢组成，是最简单的有机化合物。 根据碳原子之间的键级，碳氢化合物可以进一步分为烷烃、烯烃和炔烃。

烷烃是最简单的碳氢化合物，具有 sp³ 杂化的碳原子。 这些 sp³ 碳原子可以与其他碳原子的 sp³ 轨道或氢原子的 1s 原子轨道形成σ键。 由于烷烃的碳原子之间仅通过单键相连，因此它们也被称为饱和烃。 烷烃的通式为 C_nH_2n+2，表示每"n"个碳原子，烷烃就有"2n+2"个氢原子。

烷烃的路易斯结构可以使用简化结构式来简化。 在该表示中，省略了碳-氢和碳-碳之间的键以简化结构。 借助线角公式可以进一步简化。 线段代表碳-碳键。 线段的端点和顶点代表碳原子。 氢原子不明确标出，假定存在以满足碳的化合价。

含有碳原子和氢原子的化合物称为碳氢化合物。最简单的碳氢化合物甲烷具有一个四价碳原子与四个氢原子键合。

如果甲烷的一个氢原子被与三个氢原子键合的碳原子取代，就会形成下一个碳氢化合物，即乙烷。

甲烷和乙烷属于称为烷烃的碳氢化合物家族。由于烷烃仅包含单个共价键，因此它们是饱和烃。

在任何烷烃（例如乙烷）中，碳原子都是 sp³ 杂化的，使它们成为四面体碳。这些单独占据的杂化轨道与相邻碳原子的 sp³ 杂化轨道重叠，形成碳-碳 σ 键。

碳的其他杂化轨道与每个氢原子的 1s 轨道形成 σ 键。键合原子彼此成 109.5° 角。

检查三种简单烷烃的结构 — 甲烷、乙烷和丙烷。甲烷 CH₄ 有一个碳原子和四个氢原子;乙烷 C₂H₆ 具有两个碳原子和六个氢原子;丙烷 C₃H₈ 具有三个碳原子和八个氢原子。

请注意，每个后续公式都有一个碳和两个氢——即比前面的公式多一个 CH₂ 基团。

一般来说，每 n 个碳原子就会有 2个 n+2 个氢原子。因此，烷烃具有特征分子式:C_nH_2n+2。

浓缩结构式通过省略与氢键甚至碳-碳键的键来简化烷烃的路易斯结构。

碳氢化合物也可以使用线角或骨架结构来表示。这些线表示碳-碳键，每个顶点和端点都表示一个碳原子。氢虽然没有明确显示，但假设与碳键合，满足它们的化合价。

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• Cnh2n+2 general formula - It indicates that for every n carbon atom, alkanes have 2n+2 hydrogen atoms.
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