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.