3.14: Energia de combustão: uma medida de estabilidade em alcanos e cicloalcanos

A baixa reatividade nos alcanos pode ser atribuída à natureza apolar das ligações σ C–C e C–H. Alcanos, portanto, foram inicialmente denominados como “parafinas”, derivadas das palavras latinas: parum, que significa “muito pouco”, e affinis, que significa “afinidade”.

Os alcanos sofrem combustão na presença de excesso de oxigênio e condições de alta temperatura, resultando em dióxido de carbono e água. Uma reação de combustão é a fonte de energia em gás natural, gás liquefeito de petróleo (GLP), óleo combustível, gasolina, óleo diesel e combustível de aviação. A energia liberada durante a combustão, chamada calor de combustão (−ΔH°), ajuda a prever as estabilidades relativas nos alcanos e cicloalcanos.

Para alcanos de cadeia linear, o calor de combustão aumenta gradualmente com a adição sequencial de um grupo CH₂. No entanto, em alcanos superiores, o calor de combustão diminui com o aumento da ramificação, sugerindo que os isômeros ramificados têm energias potenciais mais baixas e maiores estabilidades em comparação aos alcanos de cadeia linear.

Nos cicloalcanos, a estabilidade relativa depende da energia de tensão, que é o resultado combinado de tensões angulares, torsionais e estéricas. A energia de tensão é determinada como a diferença entre o calor de combustão real e o previsto. Um estudo da energia de tensão em função do tamanho do anel revela que o menor cicloalcano (C3) exibe a máxima tensão devido à compressão excessiva de seus ângulos de ligação. À medida que o tamanho do anel aumenta, os ângulos de ligação se aproximam do valor ideal de 109°, com o ciclohexano (C6) sendo livre de tensão. Tensões adicionais em cicloalcanos maiores (C7 a C9) resultam de seus ângulos de ligação não ideais.

Os alcanos exibem baixa reatividade devido às fortes ligações não polares C-C e C-H σ.

A combustão de alcanos em excesso de oxigênio, em condições de alta temperatura, dá dióxido de carbono e água.

As reações de combustão formam a base das fontes de energia para calor e energia.

A energia liberada durante a combustão - chamada de calor de combustão - ajuda a prever a estabilidade relativa de alcanos e cicloalcanos.

Para uma série de alcanos de cadeia linear, a adição sequencial de um grupo CH₂ aumenta gradualmente o calor de combustão em um valor médio de 658,5 kJ ^mol-1.

Agora, considere diferentes isômeros de octanagem submetidos à combustão para produzir moles idênticos de produtos e diferentes calores experimentais de combustão.

O isômero de cadeia linear tem o maior calor negativo de combustão. A quantidade de calor liberada diminui marginalmente com a ramificação, sugerindo que o aumento da ramificação diminui a energia potencial e aumenta a estabilidade do isômero.

Nos cicloalcanos, em que vários grupos CH₂ estão ligados entre si por ligações C-C, o calor de combustão previsto é "n vezes a energia média de combustão de um grupo CH₂".

Para cicloalcanos coados, o calor real de combustão é ligeiramente superior aos valores previstos. A diferença entre o valor real e o previsto fornece a energia de deformação.

Um gráfico da energia de deformação em função do tamanho do anel mostra que o ciclopropano tem deformação máxima devido à compressão excessiva de seus ângulos de ligação de 109,5 ° a 60 °.

Uma diminuição na energia do ciclobutano, seguida pelo ciclopentano, é relativa à sua cepa geral reduzida, enquanto o ciclohexano é praticamente livre de cepas.

As energias de deformação moderada em cicloalcanos C7 a C9 resultam principalmente de deformações torcionais e estéricas que surgem de ângulos de ligação não ideais em suas conformações.