Топлини на изгаряне на алканите

Алканите са много химически неактивни, но участват в процеси на горене. Ако вземем метан и той реагира с кислород, ще се получи въглероден диоксид и вода като продукт. От всички въглеводороди се получават СО2 и Н2О като продукти от горенето. Делта Н0 за тази реакция е равно на –890 килоджаула за мол метан, което означава, че ако изгорим един мол метан, ще получим 890 килоджаула топлина. Това е екзотермична реакция и топлината се отдава. Топлината на горене е топлината, която се отделя при пълно изгаряне на един мол от дадено вещество. В този случай говорим за метан. Нека сега да видим хексана. Ще направя структурата на хексана тук. Имаме шест въглерода и забележи, че имаме две групи СН3, така че това е СН3 и това е СН3, значи СН3 и СН3. И имаме четири групи СН2. Това са една, две, три, четири. Ето защо имаме тук четири. В хексана има четири СН2 групи, и това е топлината му на изгаряне. И ще разглеждаме топлината на изгаряне като отрицателна промяна на енталпията. Това е минус делта Н0 в килоджаули за мол. Това ни дава положителна стойност тук, така че за хексана това е 4163 килоджаула за всеки мол изгорен хексан. Забележи какво се случва, когато отидем при хептана. Имаме увеличение с една СН2 група. От четири СН2 на пет СН2 групи. Значи сега имаме пет СН2 групи. Имаме увеличение на топлината на изгаряне, така че се отделя повече топлина. Това е логично, защото се увеличава броят на въглеродите, затова имаме увеличение на топлината на изгаряне. Ако увеличим с една броя на СН2 групите, с колко ще се увеличи топлината на изгаряне? Взимаме 4163 и намираме разликата до 4817, която е 654 джаула. Тази закономерност се запазва, когато отидем при октана. Значи при октана имаме 6 СН2 групи. Добавихме още една. Топлината на изгаряне се увеличава до 5471 килоджаула за мол. Това също е увеличение с 654 килоджаула. При нонана има още една СН2 група, и можем да очакваме увеличение на топлината на изгаряне. Просто добавяме 654 към 5471. И можем да продължим така и да намерим това тук. Значи имаме 5471. Добавяме 654 към него. Това ни дава... тук е пет, седем и пет е 12, пренасяме едно, това е 11, така че получаваме 6125. 6125 е много добро предвиждане за топлината на изгаряне на нонана. Топлината на изгаряне е много полезна, когато сравняваш стабилността на изомерите. Тук например имаме три изомера: октан, 2-метилхептан и 2,2-диметилхексан. Всички тези молекули отговарят на формулата С8Н18. Ако запиша процеса на горене, имам плюс О2, и получаваме СО2 и Н2О. Нека да изравня това. Имаме осем въглерода отляво, значи ни трябват осем отдясно, поставям това пред СО2. Сега да видим водорода. Имаме осемнадесет отляво, трябва да са толкова и отдясно. Можем да сложим тук девятка, девет по две е 18 водорода. Сега да видим колко кислород има в дясната страна. Имаме осем по две, което е равно на 16 кислорода тук и още 9 от водата. това са общо 25 кислорода отдясно. Трябват ни 25 и отляво. За момент ще се престорим, че тук няма двойка, записвам тук 25, но тук има две, така че деля на две. Ако говорим за един мол С8Н18, ще оставим това като дроб, значи имаме 25/2 кислород, който е необходим за пълното изгаряне на един мол С8Н18. Сега имаме изравненото уравнение за процеса на горене. Ако сравним тези изомери, октан, 2-метилхептан и 2,2-диметихексан, по отношение на топлините им на изгаряне, можем да установим кой е най-стабилният изомер. Тук имаме енергийна диаграма за трите изомера. Тук отляво ще представим увеличаващата се енергия. И трите изомера дават едни и също продукти при изгарянето на един мол от тях. От всеки от тях се получава СО2 и Н2О. Това са енергийните нива, свързани с нашите продукти. И можем да кажем, че това е енергийното ниво, свързано с продуктите. То е едно и също и за трите изомера. Сега да видим топлината на изгаряне на тези изомери, която е определена експериментално. Например октанът има топлина на изгаряне от около 5471 килоджаула за мол, това е количеството отделена топлина, 5471 kJ за мол. Ако знаем енергийното ниво на продуктите, и знаем отделената енергия, можем да намерим енергийното ниво на изходните вещества. Това е енергийното ниво на октана. Сега да видим 2-метилхептана. Отново, това е енергийното ниво на продуктите, топлината на изгаряне на 2-метилхептана е около 5466. Това е освободената енергия при изгаряне на един мол от 2-метилхептан, 5466 kJ за мол. Тъй като енергийното ниво на продуктите е същото като за предходния, но имаме малка разлика в температурата на изгаряне, това трябва да означава, че енергийното ниво на 2-метилхептана е по-ниско от енергийното ниво на октана. И накрая имаме 2,2-диметилхексан. Енергийното ниво на продуктите е същото като преди. Топлината на изгаряне е около 5458 килоджаула за мол това е отделена топлина, нали? Това е колко топлина се отделя при изгаряне на един мол от 2,2-диметилхексан. И понеже тази топлина на изгаряне е по-ниска, това означава, че енергията на 2,2-диметилхексана е по-ниска. Сега можем вече да сравним стабилността на изомерите. Колкото е по-висока енергията, толкова по-малко стабилно е съединението. Октанът има най-високо енергийно ниво, най-висока температура на изгаряне. Значи той е най-малко стабилен от тези три изомера. Колкото по-ниска е енергията на изходното вещество, толкова по-стабилно е то. Това означава, че 2,2-диметилхексанът е най-стабилният изомер от трите. Сега можем да погледнем за закономерности. Когато се движим от октан към 2-метилхептан към 2,2-диметилхексан, се увеличава разклоняването. Тук се увеличава броят на разклоненията. Какво се случва с топлината на изгаряне? Ако определим топлината на изгаряне като отрицателната промяна на енталпията, топлините на изгаряне намаляват. Отиваме от 5471 до 5466, до 5458. Имаме понижаване на температурите на изгаряне. И какво означава това за стабилността? Колкото повече разклонения, толкова по-голяма стабилност. Значи по-разклонената молекула означава по принцип повече стабилност. Важно е да се анализират данните за топлините на изгаряне. Просто запомни, че колкото е по-ниска енергията, толкова по-стабилно е съединението. Значи съединението с най-висока температура на изгаряне е най-малко стабилното. Съединението с най-ниска топлина на изгаряне е най-стабилното. Затова разклонените алкани имат по-малко енергия, или са по-стабилни от алканите с прави вериги.