烷烴的反應全攻略：從石蠟烴的化學安定性、四大核心反應到經典題型解析 | 莫斯利自然科學
在有機化學的世界裡，有些分子如同溫和而堅定的隱者，面對強酸、強鹼甚至是強氧化劑時總是能不動如山；然而，當適度的能量（如紫外線或高溫）介入時，它們又能展現出驚人的燃燒爆發力與取代活性。這群被稱為「石蠟烴」的烷類，究竟隱藏著什麼樣的化學反應密碼？
一、 烷類的四大核心化學反應總表
反應類型 | 核心反應條件與機制 | 主要化學反應式與特徵 | 應用與注意事項 |
1. 氧化反應 | 常見為燃燒反應，釋放大量熱能。 | C₃H₈(g) + 5O₂ (g) ⟶ 3CO₂(g) + 4H₂O(l) （ΔH = -2220.1 kJ） | 1. 丙烷氧焰火度高達 2500 ℃，可用來切割金屬。 2. 完全燃燒產物為 CO₂ 與 H₂O，不完全燃燒產物為碳粒或 CO。 |
2. 鹵化反應 | 與氯或溴在紫外光照射或加熱（300 ℃）下進行。屬於自由基取代反應（置換反應）。 | 碳-氫鍵中的氫被鹵素所取代。當氯氣過量時，甲烷鹵化依次生成二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）及四氯化碳。 | 屬於連鎖反應，會產生多種取代物的混合物。 |
3. 硝化反應 | 烷類不與濃硫酸反應，但在高溫（大於 475 ℃）下可與濃硝酸反應。 | 生成硝基烷類稱為硝化反應，亦屬於取代反應的一種。 | 需要高溫劇烈條件才能引發。 |
4. 裂解反應 | 高沸點的烷類在隔絕空氣與高溫下發生裂解，脫氫、斷鏈。 | 產生較短鏈之烷類或烯類。因伴隨去氫與重排反應，過程較為複雜。 | 因天然氣與石油中沒有烯類存在，工業上烯類的主要來源即為烷類的裂解。 |
二、 講義重點與反應補充
烷類本質：
烷類的化學活性低，在一般環境下不與強氧化劑、強還原劑、濃硫酸或強鹼作用，因此可作為萃取或化學反應中的溶劑。
鹵化反應的連鎖特性：
當氯氣過量時，甲烷鹵化的產物為一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷與四氯化碳的混合物。
常見的連鎖反應包含：引發、傳遞與終止等自由基反應步驟。
三、 講義精選例題解析：烷類鹵化反應的產物與莫耳數關係
【題目】 將 10 莫耳乙烷與 1 莫耳氯氣充分混合，經經光照後，完全反應，下列產物中何者最多？ (A) 氯乙烷 (B) 1,2-二氯乙烷 (C) 1,1-二氯乙烷 (D) 1,1,2-三氯乙烷 (E) 氯化氫
【詳細解析】
步驟 1：分析反應物的莫耳數比例。
題目給定：乙烷 = 10 莫耳，氯氣（Cl₂）= 1 莫耳（氯氣嚴重限量，乙烷大量過量）。
步驟 2：推論自由基取代反應的競爭結果。
當乙烷（CH₃CH₃）與限量氯氣進行光照取代反應時，每一個氯分子參與反應，會取代出 1 個氫原子，並同時生成 1 分子氯乙烷（CH₃CH₂Cl） 與 1 分子氯化氫（HCl）。
因為氯氣只有 1 莫耳，反應瞬間就被大量過量的乙烷（10 莫耳）給「搶光」了。絕大多數的乙烷根本來不及接觸到氯氣，依然維持原狀（未反應）。
因此，在所有的有機產物中，氯乙烷會是唯一的絕對主要產物；而隨著每個氯原子取代產生 1 個 HCl，副產物氯化氫（HCl）的總莫耳數亦與消耗的氯氣相當（1 莫耳）。
但是，在所有的選項中，產物總量最多的是伴隨生成的無機酸氯化氫（HCl），或是以有機產物來看的氯乙烷？讓我們檢視選項：(A) 氯乙烷 (B) 二氯乙烷 (C) 三氯乙烷 (D) 三氯乙烷 (E) 氯化氫。
由於 1 莫耳氯氣完全反應會生成 1 莫耳的氯乙烷與 1 莫耳的氯化氫（HCl），而其他多氯取代物（二氯、三氯乙烷）因氯氣不足幾乎無法大量生成。在產物清單中，總量最多的絕對是 (E) 氯化氫（或若考量有機物則為氯乙烷，但在總產物中 HCl 莫耳數與 Cl₂ 消耗量等莫耳，且每生成一個取代物就伴隨一個 HCl）。
正確答案：(E) 氯化氫
四、 莫斯利重點整理
安定的石蠟烴： 烷類又稱石蠟烴，因常溫下化學性質惰性，常被用作化學反應的惰性溶劑。
自由基取代規律： 鹵化反應是典型的自由基取代（置換）反應，需在光照或高溫下進行，且容易產生連鎖混和產物。
限量試劑觀念： 當烷類大量過量、鹵素限量時，主要有機產物以單取代產物為主，且必定伴隨等莫耳數的鹵化氫（HX）生成。