化石燃料和碳化合物 / 子課題
烷烴和烯烴
Alkanes and Alkenes
烷烴燃燒及取代反應（含自由基機理）、石油餾分裂解、烯烴加成及不飽和烴測試
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 烷烴的反應與裂解
考評提示：CH₄+Cl₂自由基取代三步驟、裂解產品為較小烷烴及烯烴
- 烷烴燃燒：CₙH₂ₙ₊₂ + O₂ → CO₂ + H₂O（完全燃燒放熱）；氧不足時產生CO、C（煙）及放熱較少。例：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O。
- CH₄+Cl₂於紫外光下進行自由基取代：(i)引發Cl₂ → 2Cl•（UV同解）；(ii)傳遞Cl•+CH₄→HCl+CH₃•，CH₃•+Cl₂→CH₃Cl+Cl•；(iii)終止Cl•+Cl•→Cl₂等。
- 裂解(cracking)：將較大分子烷烴（如C₁₆H₃₄）通過熾熱瓷片/Al₂O₃催化分解成較小烷烴和烯烴。例：C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₂H₄ + 其他。工業重要性：增產汽油、生產烯烴作聚合原料。
2. 烯烴的加成與不飽和試驗
考評提示：Br₂水及KMnO₄試驗用以區分烷烴和烯烴
- 烯烴+Br₂(於有機溶劑或棕色Br₂水)：加成反應，C=C變為C—C，Br₂褪色。例：CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂BrCH₂Br。烷烴在無UV下不反應。
- 烯烴+酸化KMnO₄(aq)：紫色KMnO₄被還原至無色Mn²⁺，生成二元醇；烯烴氧化產生—OH基。烷烴不反應，紫色不褪。
常見題型 · scoring points
寫出甲烷在紫外光下與氯反應的三階段自由基機理
- 引發 (Initiation)：Cl—Cl + UV光 → 2Cl•（同解產生氯自由基）。
- 傳遞 (Propagation)：Cl• + CH₄ → HCl + CH₃•；CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•（連鎖反應）。
- 終止 (Termination)：Cl• + Cl• → Cl₂；CH₃• + Cl• → CH₃Cl；CH₃• + CH₃• → C₂H₆。
- 整體：CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl，產物亦可繼續取代生成CH₂Cl₂、CHCl₃、CCl₄。
描述實驗室如何進行石油餾分的裂解並列出裝置
- 裝置：試管內放入浸透石蠟油/煤油的陶瓷綿，前端放一段碎瓷片（催化劑，可改用Al₂O₃）。
- 步驟：用酒精燈先強熱碎瓷片使其灼熱，然後間歇性地加熱陶瓷綿，使石蠟油汽化通過熱瓷片。
- 產物收集：用排水集氣法收集生成的氣體於另一試管。
- 預防倒吸：在停止加熱前，必須先將導管移離水面，以防冷卻時水倒吸入熱試管而爆裂。
設計實驗區分己烷(hexane)和己烯(hex-1-ene)
- 試驗1 — 棕色溴水：分別滴入2 cm³棕色Br₂水，用力搖盪。己烯使棕色Br₂水迅速褪色（加成反應）；己烷不反應，Br₂水仍棕色。
- 試驗2 — 酸化KMnO₄：分別加入少量稀KMnO₄/H₂SO₄。己烯使紫色褪為無色（被氧化）；己烷紫色不變。
- 觀察與結論：兩試驗中令試劑褪色者為己烯（含C=C），不令褪色者為己烷（飽和）。
- 注意：觀察用詞「棕色褪為無色」、「紫色褪為無色」，勿只寫「褪色」。
寫出乙烯分別與下列試劑反應的方程式：(a)Br₂、(b)H₂/Ni、(c)H₂O/H₃PO₄、(d)酸化KMnO₄
- (a) CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂BrCH₂Br（1,2-二溴乙烷，加成反應，Br₂褪色）。
- (b) CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃CH₃（乙烷，Ni催化氫化）。
- (c) CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH（乙醇，H₃PO₄催化水合，高溫高壓）。
- (d) 3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3HOCH₂CH₂OH + 2MnO₂ + 2KOH（或酸性條件生成乙二醇，紫色→無色）。
解釋工業上裂解石油餾分的重要性
- 平衡需求：石油中汽油(C₅–C₁₀)需求遠高於其自然比例，裂解把長鏈柴油/重油轉成汽油級分子。
- 提供烯烴原料：裂解的副產品烯烴（乙烯、丙烯）是製造加成聚合物（聚乙烯、PVC）的原料。
- 產生氫氣：部分裂解方程式會產生H₂，可用於氨合成或氫化反應。
- 經濟效益：增加每桶原油的附加價值，減少浪費。
比較烷烴的完全燃燒和不完全燃燒
- 完全燃燒（O₂充足）：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O；火焰呈藍色，放熱最多。
- 不完全燃燒（O₂不足）：2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O 或 CH₄ + O₂ → C + 2H₂O；火焰發黃，產生CO和碳微粒（煙）。
- 危害：CO無色無味有毒，與血紅蛋白結合力比O₂強200倍，造成中毒；碳粒引致呼吸道疾病。
- 改善：確保通風充足、定期檢查燃氣器具、使用催化轉化器。
描述如何用碎瓷片裝置證明長鏈烷烴裂解產物含有烯烴
- 裂解所得氣體通入棕色Br₂水試管。
- 觀察：棕色Br₂水迅速褪為無色，顯示氣體中有C=C的烯烴進行加成反應。
- 對照：純烷烴氣（如甲烷）不會使Br₂水褪色，可作對照實驗。
- 結論：裂解會把大分子烷烴同時轉化為較小烷烴和烯烴（如CH₂=CH₂）。
比較烷烴與烯烴的化學性質
- 飽和度：烷烴飽和（僅C—C單鍵）；烯烴不飽和（含C=C雙鍵）。
- 取代 vs 加成：烷烴主要進行取代（需UV+鹵素）；烯烴以加成為主（室溫即可）。
- 與Br₂/KMnO₄：烷烴無反應；烯烴迅速使Br₂水及KMnO₄褪色。
- 燃燒：兩者皆放熱，但烯烴因碳含量較高燃燒時常有黃色較煙焰（不完全燃燒較多）。
化石燃料和碳化合物 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
