雖然這個題目的內(nèi)容與化學(xué)有關(guān)，不過也牽涉到空間的概念，而且與建立一個只有4-結(jié)點和1-結(jié)點的網(wǎng)絡(luò)有密切的關(guān)系。碳?xì)浠衔锏慕Y(jié)構(gòu)特別有系統(tǒng)，特別是烷烴分子的形式簡單，比較年幼的學(xué)生應(yīng)該也可以了解。如果能從化學(xué)老師那里借到分子的組合模型，那么就可以進(jìn)行三維空間的分子結(jié)構(gòu)研究，但作為拓?fù)鋵W(xué)的練習(xí)，所需要的只是紙張、鉛筆和一些對于空間的思考。
丁烷的結(jié)構(gòu)如圖1，分子式為C4H10。
辛烷的分子式是C8H18。
更高級的烷烴為C17H36、C18H38、C19H40、C20H42。
烷烴的通式是CnH2n+2。
C6H14其他可能的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
不論碳原子鏈?zhǔn)欠裼兄ф湥@一類分子中氫原子的數(shù)目永遠(yuǎn)是碳原子數(shù)目的2倍再加2。為什么？由于這個緣故，當(dāng)你在尋找C7H16可能的結(jié)構(gòu)時，只需要注意那7個碳原子不同的排列方式就行了。9種排列方式如圖3。
如果把碳原子以雙鍵或三鍵互相結(jié)合，以及形成環(huán)狀的情況都加以考慮，則即使只用4個碳原子和數(shù)目不一的氫原子，就能形成非常多的不同分子，圖4是31種組合方式。其中只畫出碳原子的結(jié)合情形，圖中每個碳原子除了與其他碳原子相連之外，其余的“手”都是與氫原子相連，使4只“手”都不空閑。 請注意，雖然我們能畫出這些分子，但其中有些可能實際上并不存在。 分析與解答 碳?xì)浠衔锸且环N完全由碳原子和氫原子所組成的物質(zhì)，如石油、石蠟等。科學(xué)家在研究過碳和氫的結(jié)合方式后發(fā)現(xiàn)，碳原子就像是有4只“手”，而氫原子則只有1只“手”(圖1)。形成分子時，碳原子和氫原子會彼此“手牽手”結(jié)合在一起，而且不會留下任何空的“手”(圖1)。 碳?xì)浠衔镏凶詈唵蔚囊蛔迨?ldquo;烷烴”，由氫原子與單鏈的碳原子組成，因此兩個原子之間互握的“手”不會超過一只(即為單鍵)。烷烴族中最簡單的3種分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。它們的分子式(表示一個分子中所含有的碳原子和氫原子數(shù))分別如下： 甲烷：CH4 乙烷：C2H6 丙烷：C3H8 甲烷、乙烷、丙烷以及丁烷都是氣體。請畫出丁烷的結(jié)構(gòu)，并寫出其分子式。 辛烷是由氫原子和排成直鏈的8個碳原子所組成，為液體，也是石油的重要成分。它的分子式是怎樣的？ 在烷烴中，排成直鏈的碳原子數(shù)在16個以上的都是蠟，它們也是蠟燭的基本成分。請寫出碳原子數(shù)為17、18、19及20的烷烴的分子式，并依此推出碳原子數(shù)為n的烷烴的分子式。 只要把烷烴的碳原子鏈加上支鏈，就能變化出非常多的不同分子，而且有許多分子雖然結(jié)構(gòu)不同，但卻有相同的分子式。例如，C13H28就有超過800種不同的結(jié)構(gòu)式。看看你是否能找出5種結(jié)構(gòu)不同，但分子式同為C6H14的分子。圖3為其中之一，供你參考。 C7H16則有9種不同的分子結(jié)構(gòu)。請找出它們，但須注意不要把相同的結(jié)構(gòu)誤認(rèn)為不同；圖4和圖5中的碳原子排列方式，乍看似乎不同，但其實是相同的。 當(dāng)碳原子以2只或3只“手”與其他碳原子相連時，會產(chǎn)生更復(fù)雜的分子。氣態(tài)的乙烯(C2H4)和氣態(tài)的乙炔(C2H2)就是以這種方式結(jié)合的碳?xì)浠衔?圖6和圖7)。 當(dāng)碳?xì)浠衔锏奶荚硬痪窒抻阪湢钆帕校纬森h(huán)狀排列時，由碳原子和氫原子所組成的化合物，變化更為多樣，也更為復(fù)雜。兩種環(huán)狀化合物如圖8和圖9所示。 研究由4個碳原子可以組成多少不同的碳?xì)浠衔铮懗鏊鼈兊慕Y(jié)構(gòu)式。
