Urea

L’urea, conosciuta anche come carbammide, è un composto sicuro e utile con una storia significativa. Si tratta di una molecola naturale che viene prodotta dal metabolismo delle proteine e che si trova in abbondanza nelle urine dei mammiferi.

Nel 1828, il chimico tedesco Friedrich Wöhler1, allora alla Scuola Politecnica (ora Università Tecnica) di Berlino, pubblicò un articolo seminale in cui dimostrò che una biomolecola, l’urea, può essere sintetizzata da un materiale non biologico di partenza. Wöhler preparò il composto inorganico cianato di ammonio in laboratorio, poi lo riscaldò, facendolo isomerizzare in urea. Oggi conosciuta come “sintesi di Wöhler”, la reazione ha contribuito a confutare il concetto di vitalismo, che sosteneva che le molecole “organiche” possono essere fatte solo da organismi viventi.2

In una reazione simile alla sintesi di Wöhler, il carbammato di ammonio può essere convertito in urea e acqua. Questa è la base del processo che è stato usato per produrre industrialmente l’urea per quasi un secolo. L’ammoniaca e l’anidride carbonica (CO2) reagiscono esotermicamente per produrre il sale di carbammato, che viene poi riscaldato per formare urea. Il calore prodotto nella prima reazione guida la seconda. Tipicamente, l’ammoniaca e l’urea sono prodotte nello stesso impianto in modo che parte dell’anidride carbonica sottoprodotto della produzione di ammoniaca possa essere usata per fare l’urea.

La capacità di produzione globale di urea è di ≈220 milioni di t/anno. Perché l’urea viene prodotta in così grandi quantità? La risposta è che, oltre all’ammoniaca, l’urea ha il più alto contenuto di azoto di tutti i prodotti chimici industriali ed è molto richiesta come fertilizzante. Nel suolo, si decompone di nuovo in ammoniaca (in realtà ione ammonio) e anidride carbonica. I batteri azotofissatori ossidano l’ammonio in nitrato, che viene prontamente assorbito dalle radici delle colture. Oltre al suo alto contenuto di azoto, l’urea è particolarmente utile perché può essere applicata come solido in forma di pellet; e la sua insolitamente alta solubilità in acqua permette di essere incorporata in soluzioni con altri nutrienti per le piante.

Più del 90% della produzione di urea va in agricoltura. I restanti ≈20 milioni di tonnellate prodotte annualmente sono destinate all’alimentazione animale (il bestiame, tra gli altri, può convertirla in proteine), alle resine urea-formaldeide, agli emollienti per la cura della pelle e alla produzione di acido barbiturico. Il calore fortemente negativo dell’urea in soluzione nell’acqua è la base delle confezioni a freddo istantaneo, in cui le buste di plastica contengono urea e acqua in compartimenti separati. Quando il sigillo tra di loro viene rotto, la mescolanza produce un raffreddamento a breve termine per le articolazioni e i muscoli doloranti.

C’è sempre spazio per migliorare. In un articolo del 2018, lo scrittore scientifico britannico David Bradley ha descritto i modi in cui l’urea potrebbe essere usata in modo più efficiente in agricoltura. E l’anno scorso, in quella che potrebbe essere definita una “rivoluzione dell’urea”, Shuangyin Wang e colleghi dell’Università di Hunan (Changsha, Cina) e di altre istituzioni hanno descritto un percorso elettrochimico per l’urea.

Anche se l’urea è ampiamente utilizzata in agricoltura, la produzione attuale di urea non è decisamente “verde”. La produzione di ammoniaca e urea consuma > il 2% dell’energia mondiale ed emette più CO2 di qualsiasi altro processo industriale. Il gruppo di Wang ha sviluppato un metodo elettrochimico che salta l’ammoniaca e converte direttamente azoto gassoso, CO2 e acqua in urea a temperatura e pressione ambiente. Il percorso sintetico è complesso, e il processo non è ancora efficiente o sufficientemente produttivo, ma l’obiettivo è certamente degno di essere raggiunto.

1. Wöhler è stato veramente un chimico pioniere. Oltre alla sua sintesi dell’urea, isolò gli elementi berillio e ittrio in forma pura, sintetizzò diversi composti inorganici allora sconosciuti e introdusse il concetto di gruppi funzionali organici

2. Dopo la sua scoperta, Wöhler scrisse: “Non posso più trattenere la mia acqua chimica. Devo dirvi che posso fare l’urea senza l’uso dei reni di nessun animale, sia esso uomo o cane.”