3.14: Energía de combustión: una medida de estabilidad en alcanos y cicloalcanos

La baja reactividad de los alcanos se puede atribuir a la naturaleza no polar de los enlaces C – C y C – H σ. Por lo tanto, los alcanos se denominaron inicialmente "parafinas", derivadas de las palabras latinas: Parum, que significa "muy poco", y affinis, que significa "afinidad".

Los alcanos se queman en presencia de exceso de oxígeno y condiciones de alta temperatura para producir dióxido de carbono y agua. Una reacción de combustión es la fuente de energía del gas natural, el gas licuado de petróleo (GLP), el fueloil, la gasolina, el diésel y el combustible de aviación. La energía liberada durante la combustión, llamada calor de combustión (−ΔH°), ayuda a predecir las estabilidades relativas de los alcanos y cicloalcanos.

Para los alcanos de cadena lineal, el calor de combustión aumenta gradualmente con la adición secuencial de un grupo CH₂. Sin embargo, en los alcanos superiores, el calor de combustión disminuye con el aumento de la ramificación, lo que sugiere que los isómeros ramificados tienen energías potenciales más bajas y mayores estabilidades en comparación con los alcanos de cadena lineal (lineales).

En los cicloalcanos, la estabilidad relativa depende de la energía de deformación, que es el resultado combinado de deformaciones angulares, torsionales y estéricas. La energía de deformación se determina como la diferencia entre el calor de combustión real y el previsto. Un estudio de la energía de deformación en función del tamaño del anillo revela que el cicloalcano más pequeño (C3) exhibe una deformación máxima debido a la compresión excesiva de sus ángulos de enlace. A medida que aumenta el tamaño del anillo, los ángulos de unión se acercan al valor ideal de 109° con el ciclohexano (C6) libre de tensiones. En los cicloalcanos superiores (C7 a C9) se producen tensiones adicionales debido a sus ángulos de enlace no ideales.

Los alcanos exhiben una baja reactividad debido a los fuertes enlaces σ no polares C-C y C-H.

La combustión de alcanos en exceso de oxígeno, en condiciones de alta temperatura, proporciona dióxido de carbono y agua.

Las reacciones de combustión forman la base de las fuentes de energía para el calor y la energía.

La energía liberada durante la combustión, llamada calor de combustión, ayuda a predecir la estabilidad relativa de los alcanos y cicloalcanos.

Para una serie de alcanos de cadena lineal, la adición secuencial de un grupo CH₂ aumenta gradualmente el calor de combustión en un valor promedio de 658,5 kJ ^mol-1.

Ahora, considere diferentes isómeros de octano que se encuentran en combustión para producir moles idénticos de productos y diferentes calores experimentales de combustión.

El isómero de cadena lineal tiene el calor negativo de combustión más alto. La cantidad de calor liberado disminuye marginalmente con la ramificación, lo que sugiere que el aumento de la ramificación reduce la energía potencial y aumenta la estabilidad del isómero.

En los cicloalcanos, en los que varios grupos CH₂ están unidos entre sí por enlaces C-C, el calor de combustión previsto es "n veces la energía de combustión media de un grupo CH₂".

En el caso de los cicloalcanos tensados, el calor real de combustión es ligeramente superior a los valores previstos. La diferencia entre el valor real y el predicho da la energía de deformación.

Un gráfico de la energía de deformación en función del tamaño del anillo muestra que el ciclopropano tiene la máxima deformación debido a la compresión excesiva de sus ángulos de enlace de 109,5° a 60°.

Una disminución en la energía del ciclobutano, seguido del ciclopentano, es relativa a su menor deformación general, mientras que el ciclohexano está prácticamente libre de deformación.

Las energías de deformación moderadas en los cicloalcanos C7 a C9 son principalmente el resultado de deformaciones torsionales y estéricas que surgen de ángulos de enlace no ideales en sus conformaciones.