Карбамид (мочевина)
Карбамид, или мочевина, — органическое вещество с формулой CO(NH₂)₂, полный амид угольной кислоты. Это белые кристаллы без запаха, хорошо растворимые в воде. В организме человека и животных мочевина — конечный продукт обмена белков, она выводится с мочой, отсюда и название. В промышленности карбамид получают из аммиака и углекислого газа и используют прежде всего как азотное удобрение: в нём около 46 % азота — больше, чем в любом другом твёрдом азотном удобрении.
Что такое мочевина и карбамид: формула и строение
Мочевина и карбамид — два названия одного вещества. «Мочевина» — историческое название: вещество впервые выделили из мочи. «Карбамид» — химическое: оно показывает, что молекула — амид угольной кислоты. Если в угольной кислоте O=C(OH)₂ обе группы OH заменить на аминогруппы NH₂, получится O=C(NH₂)₂.
- Молекулярная формула — CH₄N₂O; обычно её записывают как CO(NH₂)₂.
- Молярная масса — 60 г/моль.
- Атом углерода связан двойной связью с кислородом и одинарными — с двумя атомами азота; у каждого атома азота по два атома водорода.
Место мочевины в истории химии особое. В 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер, нагревая неорганическую соль — цианат аммония, — получил мочевину: NH₄OCN → CO(NH₂)₂ при нагревании. До этого считалось, что органические вещества может создавать только живой организм, и синтез Вёлера стал одним из первых доводов против этой идеи. Подробнее об органических веществах — в разделе «Органическая химия».
Свойства карбамида
Физические свойства. Белые кристаллы или гранулы без запаха, плавятся около 133 °C. Карбамид очень хорошо растворяется в воде — при комнатной температуре в 100 г воды растворяется больше 100 г вещества, — и при растворении раствор заметно охлаждается. Водный раствор практически нейтральный. Карбамид меньше слёживается, чем аммиачная селитра, и не взрывоопасен.
Химические свойства.
- Гидролиз. В почве фермент уреаза, который выделяют микроорганизмы, быстро разлагает карбамид: CO(NH₂)₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂ фермент уреаза. В водном растворе продукты связываются в карбонат аммония: CO(NH₂)₂ + 2H₂O → (NH₄)₂CO₃.
- Реакция со щелочами. При нагревании со щёлочью карбамид выделяет аммиак: CO(NH₂)₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + 2NH₃↑ при нагревании. По запаху аммиака его можно обнаружить так же, как соли аммония.
- Нагревание. Выше температуры плавления карбамид частично превращается в биурет и аммиак: 2CO(NH₂)₂ → C₂H₅N₃O₂ + NH₃↑ t°. Биурет с ионами меди(II) в щелочной среде даёт фиолетовую окраску — от него получила название биуретовая реакция на белки.
Карбамид как удобрение: массовая доля азота
Главное достоинство карбамида — высокая доля азота. Посчитаем её по формуле CO(NH₂)₂:
- Относительная молекулярная масса: Mr = Ar(C) + Ar(O) + 2·(Ar(N) + 2·Ar(H)) = 12 + 16 + 2·(14 + 2) = 60.
- Масса азота в молекуле: 2·14 = 28.
- Массовая доля: ω(N) = 28 / 60 · 100 % ≈ 46,7 %.
По точным атомным массам выходит 46,6 %, а товарный карбамид содержит около 46 % азота — остальное приходится на влагу и примеси. Для сравнения, в аммиачной селитре 35 % азота (расчёт — на странице «Минеральные удобрения»). Значит, 1 кг азота содержится примерно в 2,14 кг чистого карбамида или в 2,86 кг чистой аммиачной селитры: карбамид выгоднее перевозить и хранить.
Как карбамид работает в почве. Сам по себе он усваивается растениями плохо, но в почве за несколько дней превращается в аммоний, а затем бактерии окисляют аммоний до нитрата. Отсюда практические правила:
- карбамид заделывают в почву, а не оставляют на поверхности: при гидролизе образуется аммиак, и с открытой поверхности часть азота улетает в воздух;
- вокруг гранулы сначала создаётся щелочная среда, а после нитрификации почва слегка подкисляется;
- раствор карбамида меньше обжигает листья, чем растворы селитр, поэтому его часто применяют для некорневых подкормок — опрыскивания листьев;
- норму и концентрацию раствора берут по инструкции на упаковке: избыток азота ведёт к накоплению нитратов в овощах.
Получение карбамида
В промышленности карбамид синтезируют из аммиака и углекислого газа при высокой температуре и давлении: 2NH₃ + CO₂ → CO(NH₂)₂ + H₂O t°, давление. Реакция идёт в две стадии: сначала образуется карбамат аммония 2NH₃ + CO₂ → NH₂COONH₄, затем он отщепляет воду: NH₂COONH₄ → CO(NH₂)₂ + H₂O.
Удобно, что оба исходных вещества даёт одно производство. Аммиак синтезируют из азота и водорода N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃, водород получают из природного газа CH₄ + H₂O → CO + 3H₂, а углекислый газ остаётся побочным продуктом получения водорода. Поэтому производство карбамида обычно размещают рядом с аммиачным.
Реакции карбамида и сырья для него
Применение карбамида
| Область | Для чего |
|---|---|
| Растениеводство | азотное удобрение для основного внесения и подкормок, компонент жидких и комплексных удобрений |
| Животноводство | кормовая добавка для жвачных: микроорганизмы рубца используют азот карбамида для синтеза белка |
| Химическая промышленность | карбамидоформальдегидные смолы — связующее для древесно-стружечных плит и фанеры, клеи; производство меламина |
| Транспорт | водный раствор мочевины в системах очистки выхлопа дизельных двигателей: из него выделяется аммиак, который восстанавливает оксиды азота до азота |
| Медицина и косметика | кремы для сухой кожи: мочевина удерживает влагу |
| Аэропорты | противогололёдное средство, менее агрессивное к металлу, чем хлориды |
С сельским хозяйством карбамид связан не только как удобрение: его название носит большая группа гербицидов — производные сульфонилмочевины (о них — на странице «Пестициды»).
Мочевина в организме
При распаде белков и аминокислот в организме образуется аммиак NH₃, а он ядовит. Печень превращает его в безвредную мочевину, кровь переносит её к почкам, и мочевина выводится с мочой. Поэтому содержание мочевины в крови — один из показателей работы почек, его определяют в биохимическом анализе крови. Так «избавляются» от азота млекопитающие; рыбы выделяют его в основном в виде аммиака, а птицы и многие пресмыкающиеся — в виде мочевой кислоты.
Читайте также
Частые вопросы
Что такое мочевина?
Органическое вещество CO(NH₂)₂, амид угольной кислоты. В организме это конечный продукт обмена белков, в сельском хозяйстве — азотное удобрение карбамид.
Карбамид и мочевина — это одно и то же?
Да. «Мочевина» — историческое название, «карбамид» — химическое: оно указывает, что вещество — амид угольной кислоты. В агрономии и торговле удобрениями чаще говорят «карбамид».
Сколько азота в карбамиде?
По формуле — около 46,7 % (28 из 60), в товарном удобрении — около 46 %. Это больше, чем в аммиачной селитре (35 %) и сульфате аммония (около 21 %).
Почему карбамид нужно заделывать в почву?
В почве фермент уреаза разлагает карбамид с образованием аммиака. Если гранулы лежат на поверхности, аммиак улетает в воздух и часть азота теряется.
Карбамид — органическое или минеральное удобрение?
По химическому строению это органическое вещество, но в агрономии его относят к минеральным азотным удобрениям: его производят на химических заводах из аммиака и углекислого газа, а не получают из навоза или растительных остатков.