五个碳原子相互组合的方式有哪些

8.有机化合物

我讲解的课题是，如何将自然界中以化合物状态存在的元素，不加以分离而直接利用。我们研究的主要是碳。自然界中的碳主要是以石油及石炭的形态存在的。当然，石炭可以说就是碳本身。

正在说明的M.Calvin

石油主要是由碳氢化合物混合而成的。刚从地下取出来的石油，也就是原油，呈黑色且有一点臭味，是一种混合物。原油可以不经过加工被直接使用，如被用做Diesel引擎的燃料，但一般都要经过一系列加工才便于利用。

要想知道如何加工，就需要先了解构成原油的分子。

碳原子的构造和性质

石油的主要成分是碳和氢，因此有必要了解一下碳原子的模型。碳的原子核内有6单位的正电荷，核外共有6个电子，第一层轨道上有2个，第二层轨道上有4个。

碳分子的模型

第二层轨道（壳）可以容纳8个电子（氖就有8个电子），而碳只有4个电子，这表示碳可以跟其他4个原子结合。

有机化学中使用的碳模型更为简单，就是一个球伸出4支线。4条线表示供碳原子与其他原子结合的电子。其他原子和碳原子各提供一个电子，双方共有两个电子而结合起来，我们把这种化学结合叫做“共价结合”或“电子对结合”。有时候也可以用C代表碳，C加4条线表示碳的结构。

从化学反应的立场看，碳有四个多余的电子，所以与金属有些类似。但是反过来，它的最外轨道有4个空位，也可以说与卤类元素类似。实际上，在元素周期表中，碳排在金属锂和卤类氟之间。

简单的碳原子模型。

二度空间（上）和三度空间（下）

碳氢化合物的种类

碳的这种性质，使得它很容易与其他原子结合。目前我们已知的碳化合物已经多达50万种，它们都是生命物质的主要成分。

只由碳和氢构成的化合物就有好几千种，我们称之为碳氢化合物，它们跟动物及植物的生活密切相关。所以我们将有关它的研究归入“有机化学”的范畴。石油是由太古时代的动植物演变而来的，因此其中含着大量的碳氢化合物。在碳原子的4条线上各加一个氢原子就形成了甲烷（沼气）的分子（CH₄）。甲烷是天然瓦斯的主要成分。

假如在4条线上加的不是4个氢，而是3个氢及另外1个碳，在此基础上再加第二个碳及3个氢，形成的就是同系列的第二种分子乙烷（C₂H₆）。接下来就是丙烷（C₃H₈）。这种操作可以无限地继续下去，从而形成很长的碳原子链。

还有另外一种碳氢化合物系列，它是以乙烯（C₂H₄）为起始分子的。这个系列的特征是，一对碳原子之间用双键结合。双键结合是两个原子各提供两个电子，两原子共用四个电子的化学反应。双键结合比单键结合更加牢固。

有双键结合的乙烯的分子

有三键结合的乙炔的分子

乙炔碳氢化合物（C₂H₂）是三键结合的分子。

石油的提炼和裂解

原油就是由无数个以上所说的分子构成的，而分子中通常都有6至数百个碳原子。如要利用它，必须先将各种分子分开，通常我们采用蒸馏法。

蒸馏器与塔相类似，将原油放进蒸馏器的底层加热，原油经加热会挥发，在塔中上升。重分子在最下面凝结，如润滑油；轻分子在上面凝结，如灯油；最轻的汽油当然在最上层凝结，并首先离开塔顶。这种方法利用的是各种分子挥发程度的不同，遂将各种分子分离。

轻的成分可以直接做燃料使用，例如灯油和汽油。重的成分只能当做润滑油或脂膏用，别无其他用途。如果想把它用于其他方面，就需要设法改变那些重分子内的原子排列。

可以采用“裂解法”改变重分子的原子排列：把重分子放进锅炉加热并加压，使那些分子裂解成为小分子。小分子再经蒸馏，就可以得到各种比较纯的成分。

使用裂解法所得的成分之中最常见的就是由4个碳原子构成的异丁烷和异丁烯。二者的差别在于异丁烯有一个双键结合，即两个碳原子由两条线联结在一起。

双键结合是一种不自然而紧张的状态，因此一有机会就会分开跟别的原子结合。在一定的条件下，双键结合就会打开，异丁烯与异丁烷结合起来成为含有8个原子的辛烷分子。

辛烷就是所谓高辛烷值汽油的主要成分。

聚合及其利用

另外还有方法可以使裂解法造出的分子再结合，从而形成新物质。这种方法利用的就是双键结合的紧张状态，即双键容易打开而跟其他原子结合的性质。在适当的条件下，我们可以使双键打开的分子跟同是双键的分子结合。这样两个结合在一起的分子会跟第三个同样的分子结合。同样的还会有第四个、第五个，这样无限地结合下去，分子会越变越大，形成的物质叫做“聚合体”，即由一个变键结合的单元体“聚合”而成的物质。

所谓聚合，就是使两个以上的同种类分子结合，从而形成物理性质不同的更大分子的化合物。我们身边有很多东西都是聚合而成的，如聚乙烯，它由两个碳原子和一个双键结合聚合而成，还有类似于乙烯，但比乙烯多一个苯环（含6个碳原子）的聚苯乙烯。从煤焦油或石油中可以造出种种燃料及构造材料，也可以造出如磺胺剂类的药品。

如此这般，人类已经掌握了一系列技能，从地下深处取出化合物，把原油的分子分馏、裂解、聚合，造出种种有用的物质。