Química: ¿Por qué el etanol tiene una baja densidad de energía como combustible?

Mi intuición sobre esto es bastante simple.

Cuando miro una molécula que alguien propone como combustible, el estándar de comparación de oro será el hidrocarburo alcano correspondiente. Esto se debe a que, en la mayoría de los casos, la mayoría de las moléculas de combustible actuales también serán alcanos. Sé que siempre habrá alguna variación, y también cierto grado de insaturación del hidrocarburo, pero si se compara la energía liberada por la combustión, está lo suficientemente cerca [1].

Entonces vamos a quemar una molécula de combustible. Por lo tanto, la molécula de combustible reaccionará con oxígeno. Si ya hay oxígeno en la molécula de combustible, es como si ya estuviera parcialmente “quemado”. Tiene menos energía disponible por peso, porque (en la mayoría de los casos) se ha roto un enlace CH energético y se ha reemplazado por un enlace CO y un enlace OH o un enlace C = O. Estos no van a liberar ninguna energía térmica significativa cuando se queman porque ya se han producido las formaciones de enlace más liberadoras de energía en los productos finales (agua y dióxido de carbono). Además, el oxígeno es pesado.

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En resumen, cada oxígeno es un peso muerto térmico. Realmente no contribuye a la energía de combustión de la molécula, y la hace significativamente más pesada y grande. Aumenta el peso y baja la energía, y tienes una menor densidad de energía.

Puede aplicar esta heurística a la mayoría de las moléculas de combustible. Cuantos más oxígenos tenga como porcentaje de su masa en relación con el alcano, menor será la densidad de energía [2]. También puede aplicarlo como una medición aproximada del calor de combustión en relación con el análogo de hidrocarburo [3], generalmente con resultados decentemente buenos, ya que los productos de la combustión son probablemente los mismos (solo con menos entradas externas de oxígeno externo) )

Todos estos son pequeños trucos útiles para usar cuando se te pide que hagas juicios rápidos. Dado el tiempo y el presupuesto, por supuesto me esforzaré por ser lo más riguroso posible, pero la mayoría de las veces funcionan.

[1] Por ejemplo, las entalpías estándar de combustión de ciclohexano, ciclohexeno, ciclohexadieno y benceno tienen como máximo un 11,1% de diferencia entre sí en una masa (entre -46,6 y -41,9 kJ / g). La regla general funciona aún mejor con conjuntos de moléculas comunes en combustibles que generalmente no existen como compuestos con componentes aromáticos o enlaces dobles conjugados.

[2] Entonces, digamos, es probable que el 5-hidroximetilfurfural esté cerca de la misma densidad de energía que el etanol porque tienen un porcentaje similar de masa de oxígeno.

[3] El análogo de alcano más cercano al etanol es etano, [matemática] C_2H_6 [/ matemática]. Tiene un calor de combustión de -51.9 kJ / g. Compare esto con etanol, [matemática] C_2H_5OH [/ matemática], con un calor de combustión de -29.7 kJ / g. Podemos dar un paso atrás y darnos cuenta por un momento de que por cada gramo de etanol, aproximadamente 16/46 de la masa realmente no participa en la combustión. Multiplicar el calor de combustión del etano por 30/46 da como resultado un número que es inferior al 15% del valor real de calentamiento más alto. El acetaldehído (a -26.5 kJ / g) también cae en este rango.