3.14: Energia spalania: miara stabilności alkanów i cykloalkanów

Niską reaktywność alkanów można przypisać niepolarnemu charakterowi wiązań C – C i C – H σ. Dlatego też alkany początkowo nazywano „parafinami”, co pochodzi od łacińskich słów: parum oznaczający „za mało” i affinis oznaczający „powinowactwo”.

Alkany ulegają spalaniu w obecności nadmiaru tlenu i wysokiej temperatury, dając dwutlenek węgla i wodę. Reakcja spalania jest źródłem energii w gazie ziemnym, gazie płynnym (LPG), oleju opałowym, benzynie, oleju napędowym i paliwie lotniczym. Energia uwalniana podczas spalania, zwana ciepłem spalania (-ΔH°), pomaga przewidzieć względną stabilność alkanów i cykloalkanów.

W przypadku alkanów o łańcuchu prostym ciepło spalania wzrasta stopniowo wraz z sekwencyjnym dodawaniem grupy CH₂. Jednakże w przypadku wyższych alkanów ciepło spalania maleje wraz ze wzrostem rozgałęzień, co sugeruje, że rozgałęzione izomery mają niższą energię potencjalną i większą stabilność w porównaniu z alkanami o łańcuchu prostym (liniowym).

W cykloalkanach względna stabilność zależy od energii odkształcenia, która jest połączonym wynikiem odkształceń kątowych, skrętnych i sterycznych. Energię odkształcenia określa się jako różnicę pomiędzy rzeczywistym i przewidywanym ciepłem spalania. Badanie energii odkształcenia w funkcji rozmiaru pierścienia pokazuje, że najmniejszy cykloalkan (C3) wykazuje maksymalne odkształcenie w wyniku nadmiernego ściskania kątów wiązań. Wraz ze wzrostem rozmiaru pierścienia kąty wiązania zbliżają się do idealnej wartości 109°, przy czym cykloheksan (C6) nie powoduje naprężeń. Dalsze naprężenia w wyższych cykloalkanach (C7 do C9) wynikają z ich nieidealnych kątów wiązań.

Alkany wykazują niską reaktywność ze względu na silne niepolarne wiązania σ C–C i C–H.

Spalanie alkanów w nadmiarze tlenu, w warunkach wysokiej temperatury, daje dwutlenek węgla i wodę.

Reakcje spalania stanowią podstawę źródeł energii cieplnej i elektrycznej.

Energia uwalniana podczas spalania – zwana ciepłem spalania – pomaga przewidzieć względną stabilność alkanów i cykloalkanów.

W przypadku szeregu alkanów o prostych łańcuchach sekwencyjne dodawanie grupy_CH2 stopniowo zwiększa ciepło spalania o średnią wartość 658,5 kJ ^mol-1.

Rozważmy teraz różne izomery oktanów poddawane spalaniu w celu wytworzenia identycznych moli produktów i różnych eksperymentalnych temperatur spalania.

Izomer o łańcuchu prostym ma najwyższe ujemne ciepło spalania. Ilość uwalnianego ciepła nieznacznie zmniejsza się wraz z rozgałęzianiem, co sugeruje, że zwiększone rozgałęzienie obniża energię potencjalną i zwiększa stabilność izomeru.

W cykloalkanach, w których kilka grup CH₂ jest połączonych ze sobą wiązaniami C-C, przewidywane ciepło spalania jest "n razy większe niż średnia energia spalania grupy_CH2".

W przypadku odkształconych cykloalkanów rzeczywiste ciepło spalania jest nieco wyższe niż przewidywane wartości. Różnica między wartością rzeczywistą a przewidywaną daje energię odkształcenia.

Wykres energii odkształcenia w funkcji wielkości pierścienia pokazuje, że cyklopropan ma maksymalne odkształcenie z powodu nadmiernego ściskania kątów wiązania od 109,5° do 60°.

Spadek energii cyklobutanu, a następnie cyklopentanu, jest zależny od ich zmniejszonego ogólnego odkształcenia, podczas gdy cykloheksan jest praktycznie wolny od odkształceń.

Umiarkowane energie odkształceń w cykloalkanach C7 do C9 wynikają głównie z odkształceń skrętnych i sterycznych, które powstają w wyniku nieidealnych kątów wiązania w ich konformacjach.