¿Por qué la madera se quema pero no el azúcar?

Question

Básicamente, ambos son carbohidratos, aunque la celulosa en la madera es esencialmente glucosa polimerizada, que combinada con su isómero fructosa forma sacarosa.

Entonces, ¿por qué la madera se quema fácilmente mientras que el azúcar de mesa se carboniza?

Answer 1

La combustión es una reacción en fase gaseosa. El calor de la llama vaporiza el sustrato y es el vapor que reacciona con el aire. Por eso se necesita calor para iniciar la combustión.

De todos modos, la madera contiene muchas compuestos relativamente volátiles, por lo que no es demasiado difícil iniciar la combustión. Una vez que la combustión ha comenzado, el calor de la llama mantiene la reacción en marcha.

Sin embargo, el azúcar se deshidrata y emite agua cuando se calienta. El agua no es inflamable (obviamente), por lo que no hay forma de iniciar la combustión. La deshidratación deja carbono puro y ese carbono es no volátil, por lo que nuevamente no hay forma de que se queme. El carbono arderá, por supuesto, pero se necesita una temperatura alta para que esto suceda.

Answer 2

Con los hidrocarburos se necesita una cierta cantidad de oxígeno (n) y una cierta cantidad de energía calorífica (Q) para una combustión completa. En la combustión completa, los subproductos son dióxido de carbono y agua en forma de vapor.

$$\ce{C_xH_yO_z + nO_2 + Q -> xCO2 + \frac{y}{2}H2O}$$

Hipotéticamente, si se asumiera que la madera y el azúcar tienen una composición química idéntica y suministraran la misma cantidad exacta de energía calorífica, entonces cualquier diferencia en la reacción debería derivarse de la cantidad de oxígeno.

La falta de oxígeno es la razón por la cual el azúcar no arde fácilmente. Esta reacción fue demostrada en su día por el Sr. Mago. Él añadió un poco de oxígeno en una forma química que hizo que el azúcar de mesa se incendiara rápidamente.

Si el oxígeno no está fácilmente disponible, entonces ocurre otra reacción, llamada pirólisis. Esta reacción a menudo libera alguna combinación de metano, gas de hidrógeno y monóxido de carbono, todos los cuales son inflamables, y a menudo deja carbono. Este carbono se puede observar como carbón. $$\ce{C_xH_yO_z + Q -> aH2 + bCO + cCH4 + dCO2 + eH2O + fC }$$

La respuesta a la pregunta es que el oxígeno no puede llegar fácilmente a la pila de azúcar, por lo que no arde bien y muestra los subproductos de la pirólisis. En esta situación, la madera también está experimentando pirólisis; sin embargo, hay suficiente oxígeno disponible para que todos los subproductos de la pirólisis se quemen dando lugar a una combustión completa.

Answer 3

Es más una cuestión de física que de química. Si aplicas una cerilla encendida a un tronco, no se incendiará. Haciendo lo mismo con un palillo de cerilla (sin cabeza) lo encenderá inmediatamente. Esto se debe a que el palillo de cerilla está rodeado de llamas y se calienta rápidamente al ser tan delgado. Si aplicas una cerilla de manera similar a un palo de azúcar tan delgado como un palillo, entonces también se quemará. Sin embargo, el azúcar se derretirá a medida que se caliente, y el azúcar quemado tiende a gotear del palo restante para que la combustión no se propague tan bien.

También hay una razón química por la cual la celulosa se inflama más fácilmente que la sacarosa (ignorando el contenido de lignina de la madera por el momento). Debido a las uniones cruzadas adicionales, la celulosa es más estable y comenzará a descomponerse a temperaturas más altas que la sacarosa. A la temperatura más baja de descomposición de la sacarosa, la reacción principal es la pérdida de vapor de agua, que es incombustible, dejando atrás un carbón rico en carbono que no se enciende tan fácilmente a temperaturas moderadas. Mientras que el mismo proceso ocurre cuando la celulosa se calienta, a la temperatura más alta de descomposición, se producen compuestos orgánicos volátiles, que son combustibles, además. Al encenderse, la llama se intensifica y se propaga por retroalimentación positiva. Los mismos efectos se aplican a fortiori a la lignina en comparación con la sacarosa.

Answer 4

Como se señaló en otras respuestas, el azúcar de mesa comercial suele ser cristalino y la mayor parte de él debe sufrir un cambio de fase para convertirse en una forma accesible al oxígeno en el aire. La fusión del azúcar consume energía y puede retardar su reacción (se reporta que el punto de fusión es de ~186 $^o$C). Según estudios más recientes (estudios), el azúcar sufre descomposición térmica en lugar de fusión. Esto sugiere que el proceso de combustión del azúcar es complejo y puede involucrar tanto descomposición térmica como oxidación por el aire. Presumiblemente, la formación de la masa de caramelo fundido reduce el acceso al oxígeno a menos que altas temperaturas fomenten una reacción adicional con el aire.

La celulosa presente en la madera seca también contiene dominios cristalinos, así como amorfos, pero su tamaño es menor y la energía necesaria para inducir cambios de fase que proporcionen acceso al aire presumiblemente es menor. La estructura polimérica probablemente interfiere con la descomposición y la estructura porosa de la madera facilita el acceso al aire.

Como una corolario interesante a este problema y algunas de las respuestas y comentarios, la generación de coque a partir de carbón crudo (que contiene impurezas como compuestos de azufre) mediante calentamiento en ausencia de oxígeno genera una fuente de energía de carbono más limpia para quemar.

EDICIÓN: se agregó la consideración de la descomposición térmica del azúcar.

Answer 5

Esta es una respuesta experimental a una pregunta ligeramente diferente. La forma en que se formula la pregunta se ve afectada por las sustancias madera y azúcar. Si se eliminan la madera y el azúcar de la pregunta, se leerá...

¿Por qué la sustancia A arde pero no la sustancia B?

La sustancia A y B son ambos carbohidratos de composición similar. Entonces, ¿por qué la sustancia A arde fácilmente pero la sustancia B se carboniza?

El hecho de que A arda y B se carbonice es la clave para descubrir la respuesta correcta. Imagina que la sustancia A y B son ambas celulosa granulada. (La celulosa resulta ser tanto azúcar como el componente dominante de la madera.)

Esta es una imagen de lo que queda cuando se calienta la sustancia A a 550°C en presencia de aire.

Esta es una imagen de lo que queda cuando se calienta la sustancia B a 550°C en ausencia de aire.

Debido a que la pregunta menciona que la sustancia A ardió y la sustancia B se carbonizó, lo más probable es que la sustancia A tuvo suficiente oxígeno para la combustión mientras que la sustancia B no.

En la pregunta original, demasiadas incógnitas tienen el potencial de afectar la respuesta correcta. La energía térmica de la llama de ignición es una incógnita. El tipo y tamaño de la madera son desconocidos. La granularidad del azúcar es desconocida. El tamaño y forma del montón de azúcar son desconocidos. La presencia o ausencia de cualquier condición controlada es desconocida. La presencia o ausencia de una llama es desconocida.

Dado que la madera arde, es claramente evidente que tanto el calor como el oxígeno están presentes. Dado que el azúcar se carboniza, es claramente evidente que había calor pero faltaba oxígeno. Cualquier explicación más allá de esto implica cierto nivel de especulación sobre las condiciones implicadas por la pregunta.

-- nota de precaución sobre la especulación --

Una vez que comienza la especulación, respuestas extrañas pueden resultar verdaderas. Por ejemplo, si alguien publica una respuesta que dice que el azúcar estaba enterrado bajo una fogata mientras que la madera estaba en una fogata. La pregunta no menciona ninguna fogata ni dice nada sobre enterrar azúcar, por lo que no se puede afirmar con certeza que esta respuesta sea correcta o incorrecta.

Si la explicación se adorna con datos interesantes, podría sonar asombrosa, pero ser completamente incorrecta si algo está mal. Por ejemplo, alguien podría señalar que el azúcar se convierte en caramelo a 186°C y que la madera contiene un grupo de compuestos muy inflamables llamados terpenos. La pregunta no menciona la formación de caramelo, por lo que no se sabe si está presente o no. No se conoce en qué medida la madera está seca, por lo que los terpenos pueden no ser significativos. No es posible decir con certeza si estas explicaciones son correctas o incorrectas.