Карбамид

Карбамид (мочевина) — это химическое соединение, диамид угольной кислоты, белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Является конечным продуктом метаболизма белков у млекопитающих и некоторых рыб, а также одним из важнейших азотных удобрений в сельском хозяйстве и сырьём для химической промышленности. Химическая формула — (NH₂)₂CO.

История открытия

Мочевина была впервые выделена из мочи человека в 1727 году немецким врачом и химиком Германом Бургаве. Однако её искусственный синтез, осуществлённый в 1828 году немецким химиком Фридрихом Вёлером, стал поворотным моментом в истории химии. Вёлер получил карбамид путём нагревания цианата аммония (NH₄OCN), неорганического вещества. Этот эксперимент впервые продемонстрировал, что органическое соединение можно синтезировать из неорганических предшественников, опровергнув господствовавшую в то время теорию «жизненной силы» (витализм), согласно которой органические вещества могут образовываться только в живых организмах. Синтез мочевины считается рождением органической химии как науки.

Промышленное производство карбамида началось в 1920-х годах в Германии, когда был разработан процесс синтеза из аммиака и углекислого газа под высоким давлением. К середине XX века карбамид стал одним из самых массовых продуктов химической промышленности.

Физико-химические свойства

Карбамид представляет собой бесцветные кристаллы (или белый гранулированный порошок) без запаха, с солоноватым вкусом. Основные физические характеристики:

• Молекулярная масса: 60,06 г/моль.
• Температура плавления: 132,7 °C (при нагревании выше этой температуры разлагается).
• Плотность: 1,32 г/см³.
• Растворимость: хорошо растворим в воде (около 108 г/100 мл при 20 °C), этаноле, метаноле; нерастворим в большинстве неполярных органических растворителей (эфир, хлороформ).
• Гигроскопичность: обладает способностью поглощать влагу из воздуха, поэтому хранится в герметичной упаковке или в сухих помещениях.

При нагревании в водных растворах выше 60 °C карбамид гидролизуется с образованием аммиака и углекислого газа. В твёрдом состоянии при нагревании до 150–190 °C разлагается с выделением аммиака, биурета и циануровой кислоты. Образование биурета — нежелательный побочный процесс, так как биурет токсичен для растений.

Производство

Промышленный синтез карбамида осуществляется в две стадии из аммиака (NH₃) и диоксида углерода (CO₂) под высоким давлением (15–25 МПа) и при температуре 180–200 °C.

1. Образование карбамата аммония: Аммиак и углекислый газ реагируют с образованием промежуточного соединения — карбамата аммония (NH₂COONH₄). Реакция экзотермическая и обратимая:

2NH₃ + CO₂ ⇌ NH₂COONH₄

1. Дегидратация карбамата: Карбамат аммония разлагается с отщеплением воды, образуя карбамид:

NH₂COONH₄ ⇌ (NH₂)₂CO + H₂O

Процесс является непрерывным. Реакция неполная, поэтому после синтеза смесь разделяют: непрореагировавший аммиак и углекислый газ возвращают в цикл, а раствор карбамида упаривают и гранулируют. Современные заводы используют так называемые «стриппинг-процессы» (например, процесс Snamprogetti или Stamicarbon), которые позволяют снизить энергозатраты и повысить конверсию сырья.

Применение

Сельское хозяйство

Основная область применения карбамида — производство азотных удобрений. Карбамид содержит 46,6% азота — это самая высокая концентрация среди всех твёрдых азотных удобрений. В почве под действием уреазы (фермента, выделяемого почвенными микроорганизмами) карбамид гидролизуется до аммиака и углекислого газа, после чего аммиак окисляется до нитратов, усваиваемых растениями.

Карбамид используется:

• В качестве основного удобрения: вносится в почву весной или осенью под перекопку.
• Для подкормок: применяется в растворённом виде (корневые и внекорневые подкормки) для зерновых, технических, овощных и плодовых культур.
• Для обработки семян: в некоторых случаях используется для стимуляции прорастания.

Важным ограничением является необходимость быстрой заделки карбамида в почву, так как на поверхности он может терять азот в виде газообразного аммиака (особенно на щелочных почвах). Для снижения потерь применяются ингибиторы уреазы.

Химическая промышленность

Карбамид служит сырьём для синтеза широкого спектра продуктов:

• Карбамидо-формальдегидные смолы: используются в производстве древесно-стружечных плит (ДСП), фанеры, клеёв и лаков.
• Меламин: из карбамида получают меламин, который идёт на производство меламино-формальдегидных смол, ламинатов, посуды и огнестойких покрытий.
• Полиуретаны: используется как компонент для получения некоторых типов полиуретанов.
• Лекарственные средства: применяется в синтезе некоторых лекарств (например, барбитуратов, диуретиков).
• Антигололёдные реагенты: карбамид используется в качестве экологически более безопасной альтернативы хлористому натрию для борьбы с обледенением дорог, так как он менее агрессивен к бетону и металлам, хотя и менее эффективен при сильных морозах.

Медицина и косметология

• Мочегонное средство: в медицине карбамид (в виде раствора для внутривенного введения) применяется как осмотический диуретик для снижения внутричерепного и внутриглазного давления.
• Дерматология: входит в состав мазей и кремов для увлажнения и размягчения кожи (кератолитическое действие), используется при лечении сухости кожи, экземы, ихтиоза.
• Косметика: добавляется в увлажняющие кремы, лосьоны и шампуни.

Другие области

• Пищевая промышленность: карбамид (пищевая добавка E927b) используется как улучшитель муки и хлеба, а также как компонент жевательной резинки.
• Дизельные двигатели: водный раствор карбамида (AdBlue) используется в системах селективного каталитического восстановления (SCR) для нейтрализации оксидов азота (NOx) в выхлопных газах дизельных двигателей.

Безопасность и воздействие на окружающую среду

Карбамид считается малоопасным веществом (4-й класс опасности по ГОСТ 12.1.007-76). При попадании на кожу может вызывать лёгкое раздражение, при вдыхании пыли — раздражение дыхательных путей. При горении выделяет токсичные газы (аммиак, оксиды азота).

Основная экологическая проблема, связанная с применением карбамида в сельском хозяйстве, — это загрязнение водоёмов нитратами. Избыточное внесение удобрений приводит к вымыванию азота в грунтовые воды и эвтрофикации рек и озёр. Кроме того, при неправильном хранении и внесении возможны выбросы аммиака в атмосферу.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
2. Теддер Дж., Нехватал А., Джубб А. Промышленная органическая химия. — М.: Мир, 1977.
3. Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. — М.: Колос, 2002.
4. ГОСТ 2081-2010. Карбамид (мочевина). Технические условия.
5. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley-VCH, 2012.