3.14: Energia di combustione: una misura della stabilità negli alcani e nei cicloalcani

La bassa reattività degli alcani può essere attribuita alla natura non polare dei legami σ C–C e C–H. Gli alcani, quindi, furono inizialmente definiti "paraffine", derivati dalle parole latine: parum, che significa "troppo poco", e affinis, che significa "affinità".

Gli alcani subiscono la combustione in presenza di ossigeno in eccesso e condizioni di alta temperatura per dare anidride carbonica e acqua. Una reazione di combustione è la fonte di energia del gas naturale, del gas di petrolio liquefatto (GPL), dell'olio combustibile, della benzina, del gasolio e del carburante per l'aviazione. L'energia rilasciata durante la combustione, chiamata calore di combustione (−ΔH°), aiuta a prevedere le stabilità relative negli alcani e nei cicloalcani.

Per gli alcani a catena lineare, il calore di combustione aumenta gradualmente con l'aggiunta sequenziale di un gruppo CH₂. Tuttavia, negli alcani superiori, il calore di combustione diminuisce con l'aumento della ramificazione, suggerendo che gli isomeri ramificati hanno energie potenziali inferiori e hanno maggiori stabilità rispetto agli alcani a catena lineare (lineari).

Nei cicloalcani, la stabilità relativa dipende dall'energia di tensione, che è il risultato combinato di tensioni angolari, torsionali e steriche. L'energia di tensione è determinata come la differenza tra il calore di combustione effettivo e quello previsto. Uno studio dell'energia di tensione in funzione della dimensione dell'anello rivela che il cicloalcano più piccolo (C3) presenta la tensione massima a causa dell'eccessiva compressione degli  angoli di legame. All'aumentare della dimensione dell'anello, gli angoli di legame si avvicinano al valore ideale di 109° con il cicloesano (C6) privo di tensioni. Ulteriori tensioni nei cicloalcani superiori (da C7 a C9) derivano dai loro angoli di legame non ideali.

Gli alcani mostrano una bassa reattività a causa di forti legami C-C e C-H σ non polari.

La combustione di alcani in eccesso di ossigeno, in condizioni di alta temperatura, fornisce anidride carbonica e acqua.

Le reazioni di combustione costituiscono la base delle fonti di energia per il calore e l'elettricità.

L'energia rilasciata durante la combustione, chiamata calore di combustione, aiuta a prevedere la stabilità relativa di alcani e cicloalcani.

Per una serie di alcani a catena lineare, l'aggiunta sequenziale di un gruppo CH₂ aumenta gradualmente il calore di combustione di un valore medio di 658,5 kJ ^mol-1.

Ora, consideriamo diversi isomeri di ottano sottoposti a combustione per produrre moli identiche di prodotti e diversi calori sperimentali di combustione.

L'isomero a catena lineare ha il più alto calore negativo di combustione. La quantità di calore rilasciata diminuisce marginalmente con la ramificazione, suggerendo che una maggiore ramificazione riduce l'energia potenziale e aumenta la stabilità dell'isomero.

Nei cicloalcani, in cui diversi gruppi CH₂ sono legati tra loro da legami C-C, il calore di combustione previsto è "n volte l'energia media di combustione di un gruppo CH₂".

Per i cicloalcani tesi, il calore effettivo di combustione è leggermente superiore ai valori previsti. La differenza tra il valore effettivo e quello previsto fornisce l'energia di deformazione.

Un grafico dell'energia di deformazione in funzione della dimensione dell'anello mostra che il ciclopropano ha la massima deformazione a causa dell'eccessiva compressione dei suoi angoli di legame da 109,5° a 60°.

Una diminuzione dell'energia per il ciclobutano, seguita dal ciclopentano, è relativa alla loro ridotta deformazione complessiva, mentre il cicloesano è praticamente privo di deformazione.

Energie di deformazione moderate nei cicloalcani da C7 a C9 derivano principalmente da deformazioni torsionali e steriche che derivano da angoli di legame non ideali nelle loro conformazioni.