Urea
La urea, también conocida como carbamida, es un compuesto útil y seguro con una importante historia. Es una molécula natural que se produce en el metabolismo de las proteínas y que se encuentra en abundancia en la orina de los mamíferos.
En 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler1, entonces en la Escuela Politécnica (ahora Universidad Técnica) de Berlín, publicó un artículo fundamental en el que demostraba que una biomolécula, la urea, podía sintetizarse a partir de un material de partida no biológico. Wöhler preparó en el laboratorio el compuesto inorgánico cianato de amonio y luego lo calentó, provocando su isomerización en urea. Conocida ahora como la «síntesis de Wöhler», la reacción ayudó a refutar el concepto de vitalismo, que sostenía que las moléculas «orgánicas» sólo podían ser fabricadas por organismos vivos.2
En una reacción similar a la síntesis de Wöhler, el carbamato de amonio puede convertirse en urea y agua. Esta es la base del proceso que se ha utilizado para producir urea industrialmente durante casi un siglo. El amoníaco y el dióxido de carbono (CO2) reaccionan de forma exotérmica para producir la sal de carbamato, que luego se calienta para formar urea. El calor producido en la primera reacción impulsa la segunda. Normalmente, el amoníaco y la urea se fabrican en la misma planta para que parte del dióxido de carbono subproducto de la producción de amoníaco pueda utilizarse para fabricar urea.
La capacidad de producción mundial de urea es de ≈2 millones de t/año. Por qué se produce urea en cantidades tan grandes? La respuesta es que, aparte del amoníaco, la urea tiene el mayor contenido de nitrógeno de todos los productos químicos industriales y tiene una gran demanda como fertilizante. En el suelo, se descompone de nuevo en amoníaco (en realidad ion amonio) y dióxido de carbono. Las bacterias que fijan el nitrógeno oxidan el amonio en nitrato, que es fácilmente absorbido por las raíces de los cultivos. Además de su alto contenido en nitrógeno, la urea es especialmente útil porque puede aplicarse como sólido en forma de gránulos; y su solubilidad inusualmente alta en el agua permite incorporarla en soluciones con otros nutrientes para las plantas.
Más del 90% de la producción de urea se destina a la agricultura. Los restantes ≈20 millones de t que se fabrican anualmente se destinan a la alimentación animal (el ganado, entre otros, puede convertirla en proteínas), a resinas de urea-formaldehído, a emolientes para el cuidado de la piel y a la fabricación de ácido barbitúrico. El calor de disolución fuertemente negativo de la urea en el agua es la base de los envases de frío instantáneo, en los que las bolsas de plástico contienen urea y agua en compartimentos separados. Cuando se rompe el sello entre ellos, la mezcla produce un enfriamiento a corto plazo para las articulaciones y los músculos doloridos.
Siempre hay espacio para mejorar. En un artículo de 2018, el escritor científico británico David Bradley describió formas en las que la urea podría utilizarse de forma más eficiente en la agricultura. Y el año pasado, en lo que podría denominarse una «revolución de la urea», Shuangyin Wang y sus colegas de la Universidad de Hunan (Changsha, China) y otras instituciones describieron una ruta electroquímica para obtener urea.
Aunque la urea se utiliza ampliamente en la agricultura, la producción actual de urea no es decididamente «verde». El amoníaco y la producción de urea consumen >2% de la energía mundial y emiten más CO2 que cualquier otro proceso industrial. El grupo de Wang desarrolló un método electroquímico que se salta el amoníaco y convierte directamente el gas nitrógeno, el CO2 y el agua en urea a temperatura y presión ambiente. La ruta de síntesis es compleja, y el proceso aún no es eficiente ni suficientemente productivo, pero sin duda merece la pena esforzarse por alcanzar el objetivo.
1. Wöhler fue realmente un químico pionero. Además de su síntesis de la urea, aisló los elementos berilio e itrio en forma pura, sintetizó varios compuestos inorgánicos entonces desconocidos e introdujo el concepto de grupos funcionales orgánicos
2. Tras su descubrimiento, Wöhler escribió: «No puedo aguantar más mi agua química. Debo deciros que puedo fabricar urea sin necesidad de utilizar los riñones de ningún animal, ya sea hombre o perro»
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