Articles

Mocznik

Mocznik, znany również jako karbamid, jest bezpiecznym, użytecznym związkiem o znaczącej historii. Jest to naturalnie występująca cząsteczka, która jest produkowana przez metabolizm białek i występuje w dużych ilościach w moczu ssaków.

W 1828 r. niemiecki chemik Friedrich Wöhler1, pracujący wówczas na Politechnice Berlińskiej (obecnie Uniwersytet Techniczny), opublikował przełomowy artykuł, w którym wykazał, że biomolekuła, mocznik, może być syntetyzowana z niebiologicznego materiału wyjściowego. Wöhler przygotował w laboratorium nieorganiczny związek cyjanian amonu, a następnie podgrzał go, co spowodowało izomeryzację do mocznika. Reakcja ta, znana obecnie jako „synteza Wöhlera”, pomogła obalić koncepcję witalizmu, według której cząsteczki „organiczne” mogą być wytwarzane tylko przez żywe organizmy.2

W reakcji podobnej do syntezy Wöhlera karbaminian amonu może zostać przekształcony w mocznik i wodę. Jest to podstawa procesu, który od prawie stu lat jest wykorzystywany do przemysłowej produkcji mocznika. Amoniak i dwutlenek węgla (CO2) reagują egzotermicznie w celu wytworzenia soli karbaminianu, która jest następnie podgrzewana w celu utworzenia mocznika. Ciepło wytworzone w pierwszej reakcji napędza drugą. Zazwyczaj amoniak i mocznik są produkowane w tym samym zakładzie, dzięki czemu część dwutlenku węgla, będącego produktem ubocznym przy produkcji amoniaku, może być wykorzystana do produkcji mocznika.

Globalna zdolność produkcyjna mocznika wynosi ≈220 mln t/rok. Dlaczego mocznik jest produkowany w tak dużych ilościach? Odpowiedź brzmi: mocznik, oprócz amoniaku, ma najwyższą zawartość azotu spośród wszystkich chemikaliów przemysłowych i cieszy się dużym popytem jako nawóz. W glebie rozkłada się on z powrotem do amoniaku (właściwie jonu amonowego) i dwutlenku węgla. Bakterie wiążące azot utleniają amon do azotanu, który jest łatwo pobierany przez korzenie roślin uprawnych. Oprócz wysokiej zawartości azotu, mocznik jest szczególnie przydatny, ponieważ może być stosowany w formie stałej, w postaci granulek, a jego niezwykle wysoka rozpuszczalność w wodzie pozwala na włączenie go do roztworów z innymi składnikami odżywczymi roślin.

Ponad 90% produkcji mocznika trafia do rolnictwa. Pozostałe ≈20 milionów ton mocznika rocznie przeznacza się na paszę dla zwierząt (m.in. bydło może go przetworzyć na białko), żywice mocznikowo-formaldehydowe, emolienty do pielęgnacji skóry oraz do produkcji kwasu barbiturowego. Silnie ujemne ciepło roztworu mocznika w wodzie jest podstawą opakowań typu instant-cold, w których plastikowe torebki zawierają mocznik i wodę w oddzielnych komorach. Po zerwaniu uszczelnienia między nimi, mieszanie się wytwarza krótkotrwałe chłodzenie dla obolałych stawów i mięśni.

Zawsze jest miejsce na poprawę. W artykule z 2018 r. brytyjski pisarz naukowy David Bradley opisał sposoby, w jakie mocznik może być wykorzystywany bardziej efektywnie w rolnictwie. A w zeszłym roku, w czymś, co można nazwać „rewolucją mocznikową”, Shuangyin Wang i współpracownicy z Hunan University (Changsha, Chiny) i innych instytucji opisali elektrochemiczną drogę do mocznika.

Mimo że mocznik jest szeroko stosowany w rolnictwie, obecna produkcja mocznika zdecydowanie nie jest „zielona”. Produkcja amoniaku i mocznika pochłania >2% światowej energii i emituje więcej CO2 niż jakikolwiek inny proces przemysłowy. Grupa Wanga opracowała metodę elektrochemiczną, która pomija amoniak i bezpośrednio przekształca gazowy azot, CO2 i wodę w mocznik w temperaturze i ciśnieniu otoczenia. Droga syntezy jest skomplikowana, a proces nie jest jeszcze wydajny ani wystarczająco produktywny, ale z pewnością warto dążyć do osiągnięcia tego celu.

1. Wöhler był naprawdę pionierskim chemikiem. Oprócz syntezy mocznika, wyizolował pierwiastki beryl i itr w czystej postaci, zsyntetyzował kilka nieznanych wówczas związków nieorganicznych i wprowadził pojęcie organicznych grup funkcyjnych

2. Po swoim odkryciu Wöhler napisał: „Nie mogę już dłużej utrzymać mojej chemicznej wody. Muszę wam powiedzieć, że mogę zrobić mocznik bez użycia nerek jakiegokolwiek zwierzęcia, czy to człowieka, czy psa.”

3.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *