分子結構與官能團

同系列

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把烷烴按大小排隊——甲烷、乙烷、丙烷、丁烷——你會注意到,每一個都只是前一個再縫進一個 CH2 單元。這道整齊的階梯就是同系列:一族共有同一官能團的化合物,每一個成員與下一個相差一個固定的 CH2。這是大自然的井然有序,化學家很喜歡它。

嚴格地說,同系列是一組具有相同通式和相同官能團的化合物,其中相鄰的成員相差一個 CH2(亞甲基)單元。烷烴遵循 CnH2n+2,伯醇遵循 CnH2n+1OH,依此類推。由於每個成員都帶著完全相同的官能團,它們共有相同的特徵化學反應——所有的醇都表現得像醇。又由於它們的差別只在一條惰性碳氫尾巴的長短,所以隨著沿系列上升,它們的物理性質平滑而可預測地變化:沸點、熔點和黏度一般隨鏈長增加而升高(表面積越大,色散力越強),而水溶性通常隨油膩尾巴變長而下降。

同系列是一個強有力的組織和預測工具。測出幾個成員的某項性質,你就能對其餘成員作內插或外推,因為趨勢如此規律。它還抓住了有機化學一條深刻的簡化真理:化學性質主要由官能團決定,而碳鏈大多只是在調節物理行為。誠實地提醒一句——一個系列最開頭的成員可能有點反常,而且趨勢雖然平滑卻並非完美的線性。

在直鏈烷烴中,甲烷(CH4)、乙烷、丙烷在室溫下是氣體,戊烷(C5)是易揮發的液體,到 C18 左右就成了蠟狀固體——每增加一個 CH2,沸點穩步上升大約 20-30 °C。

每次加一個 CH2 單元,物理性質就沿系列平滑地變化。

成員之間化學性質相同,是因為它們共有一個官能團;它們的物理性質則隨鏈長呈現趨勢。但這種趨勢是平滑的,並非完美的線性,而且系列的第一個成員可能略有反常。

又稱
homologue series同系物列