Мочевина
| Мочевина | |
| Urea Structural Formula V2.svg | |
| Urea-3D-vdW.png | |
| Общие | |
|---|---|
| Систематическое наименование |
Диамид угольной кислоты
|
| Традиционные названия | Мочевина, карбамид |
| Химическая формула | (NH2)2CO |
| Физические свойства | |
| Состояние | белые кристаллы |
| Молярная масса | 60.07 г/моль |
| Плотность | 1,32 г/см³ |
| Термические свойства | |
| Т. плав. | 132.7 °C |
| Т. кип. | с разложением 174 °C |
| Энтальпия образования | −333,3 кДж/моль |
| Химические свойства | |
| pKa | 0,18 |
| Растворимость в воде | 51,8 (20 °C) г/100 мл |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 57-13-6 |
| SMILES | NC(=O)N |
| Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного. | |
Мочеви́на (карбами́д) — органическое химическое соединение, амид карбаминовой кислоты, полный амид угольной кислоты, (NH2)2CO. Открыта И. Руэлем (1773), идентифицтрована У. Праутом (1818), впервые синтезирована из неорганического вещества — циановокислого аммония в 1828 году немецким химиком Ф. Вёлером[1]. Представляет собой белые кристаллы, хорошо растворимые в полярных растворителях — воде, этаноле, жидком аммиаке). Является ценным минеральным удобрением[2].
История открытия[править]
Кристаллы карбамида (мочевины) были получены в 1773 году Илером Руэлем, французским химиком, выпариванием человеческой мочи с последующей обработкой спиртом и последовательным фильтрованием. Идентифицирован карбамид был английским химиком, врачом и религиозным философом Уильямом Праутом в 1818 году[3].
Открытие синтеза карбамида было совершено в начале XIX века немецким химиком Фридрихом Вёлером. В 1828 году он впервые получил мочевину из цианата аммония, являющегося неорганическим соединением. Данное открытие опровергло теорию виталистов о «жизненной силе», без которой, как они считали, не могут образовываться органические соединения. С того времени карбамид начал активно использоваться в качестве азотного удобрения. А само открытие мочевины, полученной из неорганического вещества, послужило толчком для развития агрохимической промышленности[4].
Немецкий химик не ставил перед собой конкретную задачу получить мочевину. Он сделал своё открытие случайно в результате изучения химических свойств дициана N≡C-C≡N, полученного в 1815 году французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком. К моменту открытия мочевины уже было известно, что при взаимодействии дициана (CN)2 со щелочами, например, KOH, помимо других продуктов образуются соли циановой кислоты KCN — цианаты KOCN[5].
Ф. Велер для получения мочевины из неорганических веществ провёл ряд химических опытов[5]:
- пропускал дициан (CN)2 через водный раствор аммиака, в котором одновременно протекали реакции, сопровождающиеся процессом полимеризации с образованием полимера «парациана» — (С2N2)n, чёрного цвета, нерастворимого в воде:
(CN)2 + H2O → HCN + HOCN;
NH3 + HCN → NH4CN;
NH3 + HOCN → NH4OCN;
(CN)2 + 4H2O → (NH4)2C2O4.
- Образовавшийся «парациан» — (С2N2)n отделяли в образовавшийся раствор, содержавший цианид, цианат и оксалат аммония (NH4)2C2O4. Затем осторожно добавляли известковую воду Ca(OH)2 до прекращения выделения осадка оксалата кальция CaC2O4:
(NH4)2C2O4 + Ca(OH)2 → CaC2O4↓ + 2NH3·H2O
- Образующийся осадок оксалата кальция отфильтровывали, фильтрат 2NH3·H2O — выпаривали с выделением из него водяных паров, аммиака и синильной кислоты HCN:
2NH3·H2O → NH3↑ + H2O;
NH4CN →t NH3↑ + HCN↑.
- При нагревании цианат аммония NH4CN изомеризовался в мочевину, которую выделяли из раствора в виде белых кристаллов выпариванием:
NH4CN → (NH2)2CO[5].
Строение[править]
Молекулярная формула мочевины ― (NH2)2CO. Молекулярная масса карбамида — 60,07 г/моль. Молекула имеет плоское строение. Габитус кристалла карбамида — удлинённая тетрагональная призма 4-ной инверсионной осью симметрии. Тип элементарной ячейки P42m — D32d, параметры ячейки: а = 0,566 нм, b = 0,4712 нм, z = 2. Коэффициент объемного расширения карбамида β совершает полиморфные скачки — превращения кристаллической структуры высшего порядка без скрытого изменения объёма при постоянной энтропии[1].
Константа диссоциации при 25 °С составляет 1,5·10 −14, свободная энергия образования равна 197,3 Дж/г·моль, теплота образования из простых веществ ― 333,3 Дж/г-моль·К, теплота сгорания ―632,5 Дж/г-моль·К, энтропия ― 104,67 Дж/г-моль·К[1].
Физические свойства[править]
Кристаллы карбамида не имеют цвета и запаха. Мочевина имеет хорошую растворимость в воде: 67 г/100 мл (0 °C), 119,3 г/100 мл (25 °C), 205 г/100 мл (50 °C), 733 г/100 мл (100 °C), практически устойчив при температуре не более 80 °С. С увеличением температуры растворимость карбамида падает. Карбамид легко растворяется в жидком аммиаке, при 46 °С образуется CO(NH2)2·NH3, с массовой долей аммиака 22,1 %[1].
Растворяется в этиловом спирте — 15,8 г/100 мл (20 °C), и других спиртах, концентрированной соляной кислоте, пиридине, глицерине. Малорастворима в диэтиловом эфире. Не растворяется в хлороформе, бензоле[6].
Карбамид с массовой долей влаги 0,2—0,3 % хорошо рассыпается и рассеивается и практически не слеживается. Это свойство важно при внесении карбамида в почву. При содержании влаги от 0,5—1 % карбамид слёживается, образуя насыщенный раствор с карбамидом. При понижении температуры раствора растворимость карбамида в воде уменьшается, из насыщенного раствора выделяются кристаллы карбамида, которые, срастаясь, постепенно образуют монолитную массу. Слеживаемость карбамида, как и другого любого удобрения, вызывает большие затруднения при хранении, транспортировке и внесении в почву. По гигроскопичности карбамид близок к сульфату аммония. Он менее гигроскопичен, чем нитрат кальция и аммиачная селитра[3].
Химические свойства[править]
Водный раствор карбамида, имея нейтральную реакцию среды, с 1 моль азотной кислоты образует соли[7]:
СО(NН2)2 + HNO3 → СО(NН2)2 · HNO3.
При нагревании в присутствии кислот (или щелочей) подвергается гидролизу, подобно другим амидам:
СО(NН2)2 + 2HOH → O=C (OH)2 [CO2 + H2O] + 2NH3↑.
При нагревании выше температуры плавления карбамид превращается в биурет H2N-CO-NH-CO-NH2:
H2N-CO-NH2 + H2N-CO-NH2 → H2N-CO-NH-CO-NH2 + NH3↑.
Азотистая кислота разлагает карбамид с выделением азота (реакция А. П. Бородина):
H2N-CO-NH2 + 2HNO2 → O=C (OH)2 [CO2 + H2O] + 2H2O + 2N2↑,
используется в клиническом анализе.
Карбамид участвует в реакциях алкилирования с йодистым метилом, образуя N–метилкарбамид:
H2N-CO-NH2 + I-CH3 → O=C (NH2) (NH-CH3) + HI.
В реакциях ацилирования образует ацильные производные карбамида, называемые уреидами:
H2N-CO-NH2 + ClCOCH3 → O=C (NH2) (NH-COCH3) + HCl.
При температуре 300—500 °С и высоком давлении карбамид превращается в меламин (2,4,6−триамино−1,3,5−триазин) ― циклическое вещество:
6 H2N-CO-NH2 → C3H3N3 + 6NH3↑ + 3СО2↑.
Качественной реакцией для обнаружения мочевины является её взаимодействие с п-диметил-аминобензальдегидом в присутствии соляной кислоты. При этом появляется жёлто-зелёное окрашивание раствора. Предел обнаружения 2 мг/л.
Также для идентификации в образце мочевины используют качественные реакции[8]:
- 0,1 г карбамида растворить в 1 мл дистиллированной воды, прибавить 1 мл концентрированной азотной кислоты, образование белого кристаллического осадка указывает на присутствие мочевины в образце.
- 0,5 г карбамида нагреть в пробирке до полного расплавления и образования мутной жидкости, охладить и растворить в смеси с 1 мл 8,5 % раствора гидроксида натрия NaOH и 10 мл воды; к полученному раствору прибавить 0,05 мл 12,5 % раствора сульфата меди(II) CuSO4; появление красно-фиолетового окрашивания свидетельствует о присутствии карбамида в образце.
Получение[править]
Существует несколько способов получения карбамида.
Карбамид может быть получен[3]:
- из аммиака и циановой кислоты: NH3 + NСОН → NСОNH4 → NH2СОNH2
- взаимодействием фосгена и аммиака, с одновременным получением хлорида аммония:
СОCl2 + 2NH3 → CO (NH2)2 + 2HCl
HCl + NH3 = NH4Cl.
- взаимодействием аммиака с сероокисью углерода образуется тиокарбамат аммония, который при 100°С, разлагаясь, образует карбамид и сероводород:
2NH3 + COS → NH2‧COSNH4
NH2‧COSNH4 → CO (NH2)2 + H2S↑.
- цианамидный способ получения карбамида основан на разложении цианамида кальция двуокисью углерода с образованием цианамида:
CaCN2 + H2O + CO2 → CN-NH2 + CaCO3
В кислой среде при лёгком нагревании цианамид присоединяет воду, образуя карбамид:
CN-NH2 + H2O → CO (NH2)2.
Однако эти способы не нашли промышленного применения вследствие своей нерентабельности и трудности осуществления.
В настоящее время карбамид в промышленном масштабе производится только прямым синтезом из аммиака и двуокиси углерода. Синтез карбамида, впервые осуществленный А. И. Базаровым в 1870 году, протекает в две стадии[3]:
2NН3 + СО2 ↔ СО(NН2)2 + Н2О + 110,1 кДж.
На первой стадии в результате экзотермической обратимой реакции, протекающей при температуре 150—190 °C и давление 15—20 МПа, образуется промежуточный продукт — карбамат аммония:
2NН3(газ) + СО2(газ) ↔ NН2СООNН4(ж) + 125,6 кДж.
На второй стадии при протекании эндотермической обратимой реакции происходит образование карбамида с отщеплением воды от молекул карбамата аммония:
NН2СООNН4(ж) ↔ СО(NН2)2(ж)+ Н2О(п) — 15,5 кДж.
Эта реакция протекает при пониженном давлении и повышенной температуре 220 °C. Для дополнительного смещения химического равновесия вправо используют избыток аммиака для связывания реакционной воды и удаления её из зоны реакции. Степень превращения карбамата аммония в карбамид не высокая, это связано с тем, что в ходе химических превращений образуются продукты его разложения ― аммиак и углекислый газ.
Одновременно с основными реакциями протекают и побочные: обратимая эндотермическая реакция разложения части карбамида с образованием биурета ― вредной примеси (повреждает хлоропласты растительных клеток, вызывая образование реактивных форм кислорода и нарушая фотосинтез)[9], скорость которой достаточно медленная:
2СО(NН2)2 ↔ NН2СОNНСОNН2 + NН3 — Q
Для подавления реакции разложения части карбамида с образованием биурета на практике синтез карбамида проводят при двух-кратном избытке аммиака, сокращая время пребывания реакционной смеси в зоне высоких температур[3].
В настоящее время во всём мире карбамид получают из аммиака и диоксида углерода. В России выпускают две марки карбамида[10]:
- марку А — используется в качестве сырья для получения пластмасс, синтетических смол, клеев, меламина;Файл:Degradation of uric acid.svgРасщепление мочевой кислоты до аммиака и углекислого газа
- марку Б — как азотное удобрение и пищевую добавку в животноводстве.
Биологическое значение[править]
Мочевина является конечным продуктом белкового обмена у многих беспозвоночных и позвоночных животных (рыбы, земноводные, млекопитающие) и человека. Биосинтез мочевины из конечных продуктов распада белко́в проходит в печени в результате биохимических реакций — цикла мочевины или орнитинового цикла. Мочевина и орнитин образуются при ферментативном расщеплении аминокислоты — аргинин[6].
Мочевина участвует в регуляции водного режима животных. Выводится почками и потовыми железами, например, человек выделяет в сутки 25—30 г мочевины[6].
В распадающемся белке азота выделяется около 80 % в виде мочевины. Содержание мочевины в моче зависит от количества и состава белков в пище, скорости распада белков, которая возрастает при сахарном диабете, физической нагрузке, повышении температуры тела. Мочевина в небольших количествах присутствует в крови, мышечной ткани, слюне, лимфатической жидкости, молоке, слезах. Также содержание мочевины в крови может возрастать нарушении функции почек и заболеваниях, связанных с усиленным распадом тканевых белков. Мочевина встречается в некоторых высших растениях и грибах[2].
Применение[править]
Карбамид (мочевина) применяется в различных сферах[2]:
- растениеводстве — одно из самых популярных и эффективных азотных удобрений, широко используемое в современном сельском хозяйстве, содержащий около 46 % азота в амидной форме, хорошо усваивается растениями, подходит для всех типов почв, может применяться в виде как корневой так и внекорневой подкормки, имеет доступную цену и в использовании экономичен; после внесения в почву под действием фермента уреазы превращается в карбонат аммония (углекислый аммоний) — (NH4)2CO3, который затем гидролизуется в зависимости от температуры почвы и активности микроорганизмов до аммиака и углекислого газа в течении от двух до семи дней. На щелочных и нейтральных почвах из-за потерь азота в виде аммиака рекомендуется заделывать удобрение в почву[11].
- животноводстве — служит источником азота для микроорганизмов рубца, оказывает положительное влияние на молочную продуктивность и рост мышечной массы, стимулирует синтез микробного белка; применяют как кормовую добавку для крупного рогатого скота, овец, нормы скармливания рассчитываются исходя из фактического недостатка в рационах расщепляемого в рубце протеина с учётом максимальных суточных дозировок, например, для дойных коров — не более 120 г на голову в сутки, для крупного рогатого скота на откорме — не более 100 г на голову в сутки и для молодняка старше 6 месяцев — не более 40 г на голову в сутки[12];
- промышленности — используется как сырьё в органическом синтезе, производстве карбамидо-формальдегидных смол, применяемых в изготовлении древесно-волокнистых плит (ДВП) и мебельном производстве, антипиренов, лаков, мипораизоляции, пенопластов[13];
- нефтехимии — для очистки нефтепродуктов[2];
- автомобильной промышленности — применяют для очистки выхлопных газов дизельных двигателей по технологии SCR-катализатора, что позволяет достичь соответствия нормам Евро-4, Евро-5 и Евро-6[13];
- пищевой промышленности карбамид зарегистрирован как пищевая добавка E927b[13];
- фармацевтической отрасли — для производства дерматологических препаратов и диуретиков[13];
- косметологии — используется способность карбамида растворять кератин и увлажнять кожу[13].
Литература[править]
- Артёменко А. И. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 2003. — С. 248—250. — 536 с. — ISBN 5-06-003800-9.
- Горловский Д. М., Альтшулер Л. Н., Кучерявый В. И. Технология карбамида. — Л.: Химия, 1981.
- Кучерявый В. И., Сергеев Ю. А. Мочевина. — М.: Большая российская энциклопедия, 1992. — Т. 3.
- Петров Д. Д.,Бальян Х. В.,Трощенко Д.Т. Органическая химия: Учебник для вузов / под ред. Стадничукa М. Д.. — СПб: Иван Федоров, 2002. — С. 274—278. — 624 с. — ISBN 5-81940-067-4.
- Сергеев Ю. А., Кузнецов Н. М., Чирков А. В. Карбамид. — Нижний Новгород: Кварц, 2015. — 544 с. — ISBN 978-5-903581-95-5.
Примечания[править]
 | Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Мочевина», расположенная по следующим адресам:
Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?». |
|---|
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 Сергеев Ю. А., Кузнецов Н. М., Чирков А. В. Карбамид. — Нижний Новгород: Кварц, 2015. — С. 12—31. — ISBN 978-5-903581-95-5.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 Мочевина. Большая российская энциклопедия. Проверено 15 декабря 2025.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Физико-химические свойства и способы получения карбамида. Проверено 16 декабря 2025.
- ↑ Реактор синтеза карбамида. Концепт-Лаб. Проверено 15 декабря 2025.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 «О первом синтезе мочевины».
- ↑ 6,0 6,1 6,2 Сергеев Ю. А., Кузнецов Н. М., Чирков А. В. Карбамид. — Нижний Новгород: Кварц, 2015. — С. 12—31. — ISBN ISBN 978-5-903581-95-5.
- ↑ Артёменко А. И. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 2003. — С. 248—250. — ISBN 5-06-003800-9.
- ↑ ФС.2.1.0694. Фармакопейная статья. Мочевина (утв. и введена в действие Приказом Минздрава России от 13.03.2024 № 120). Государственная фармакопея Российской Федерации. XV издание. Министерство здравоохранения Российской Федерации. Проверено 21 декабря 2025.
- ↑ Контроль биурета в карбамиде: нормы, влияние на растения и методы снижения. «INNER». Проверено 17 декабря 2025.
- ↑ «Анализ технологических схем производства карбамида».
- ↑ Карбамид (мочевина) как удобрение: полное руководство по применению. МинералРус. Проверено 16 декабря 2025.
- ↑ Кормовой карбамид. Группа «ФосАгро». Проверено 16 декабря 2025.
- ↑ 13,0 13,1 13,2 13,3 13,4 Сергеев Ю. А., Кузнецов Н. М., Чирков А. В. Карбамид. — Нижний Новгород: Кварц, 2015. — С. 492—493. — ISBN 978-5903581-95-5.