Urea

Urea, también conocida como carbamida, es un compuesto orgánico con fórmula química CO(NH₂)₂. Esta amida tiene dos grupos amino (–NH₂) unidos por un grupo funcional carbonilo (–C(=O)–). Por lo tanto, es la amida más simple del ácido carbámico.

La urea desempeña un papel importante en el metabolismo de los compuestos que contienen nitrógeno por parte de los animales y es la principal sustancia que contiene nitrógeno en la orina de los mamíferos. Es un sólido incoloro e inodoro, altamente soluble en agua y prácticamente no tóxico (LD50 es de 15 g/kg para ratas). Disuelto en agua, no es ácido ni alcalino. El cuerpo lo utiliza en muchos procesos, sobre todo en la excreción de nitrógeno. El hígado lo forma combinando dos moléculas de amoníaco (NH₃) con dióxido de carbono (CO₂) molécula en el ciclo de la urea. La urea se usa ampliamente en fertilizantes como fuente de nitrógeno (N) y es una materia prima importante para la industria química.

En 1828, Friedrich Wöhler descubrió que la urea se puede producir a partir de materiales de partida inorgánicos, lo que supuso un hito conceptual importante en la química. Esto demostró por primera vez que una sustancia conocida anteriormente como un subproducto de la vida podía sintetizarse en el laboratorio sin materiales de partida biológicos, lo que contradecía la doctrina ampliamente difundida del vitalismo, que afirmaba que solo los organismos vivos podían producir los productos químicos de la vida.

Usos

Agricultura

Una planta en Bangladesh que produce fertilizante de urea.

Más del 90 % de la producción industrial mundial de urea se destina a su uso como fertilizante liberador de nitrógeno. La urea tiene el contenido de nitrógeno más alto de todos los fertilizantes nitrogenados sólidos de uso común. Por lo tanto, tiene un bajo costo de transporte por unidad de nutriente nitrogenado. La impureza más común de la urea sintética es el biuret, que perjudica el crecimiento de las plantas. La urea se descompone en el suelo para dar amonio. El amonio es absorbido por la planta. En algunos suelos, las bacterias oxidan el amonio para dar nitrato, que también es un nutriente para las plantas. La pérdida de compuestos nitrogenados a la atmósfera y la escorrentía son un desperdicio y un daño ambiental. Por esta razón, la urea a veces se trata previamente o se modifica para mejorar la eficiencia de su uso agrícola. Una de esas tecnologías son los fertilizantes de liberación controlada, que contienen urea encapsulada en un sellador inerte. Otra tecnología es la conversión de la urea en derivados, como el formaldehído, que se degrada en amoníaco a un ritmo similar al de las plantas. Requerimientos nutricionales.

Resinas

La urea es una materia prima para la fabricación de dos clases principales de materiales: resinas de urea-formaldehído y urea-melamina-formaldehído que se utilizan principalmente en paneles a base de madera, como tableros de partículas, tableros de fibra y madera contrachapada, entre otros.

Explosivos

La urea se puede utilizar para fabricar nitrato de urea, un explosivo de gran potencia que se utiliza industrialmente y como parte de algunos artefactos explosivos improvisados.

Sistemas de automóviles

La urea se utiliza en reacciones de reducción selectiva no catalítica (SNCR) y reducción catalítica selectiva (SCR) para reducir los contaminantes de NOx en los gases de escape de la combustión de motores diésel, de combustible dual y de gas natural de mezcla pobre. El sistema BlueTec, por ejemplo, inyecta una solución de urea a base de agua en el sistema de escape. El amoníaco (NH₃) producido por primera vez por la hidrólisis de la urea reacciona con los óxidos de nitrógeno (NO_x) y se convierte en gas nitrógeno (N₂) y agua dentro del convertidor catalítico. La conversión de NO_x nocivos a N₂ se describe mediante la siguiente ecuación global simplificada:

4 NO + 4 NH₃ + O₂ → 4 N₂ + 6 H₂O

Cuando se usa urea, se produce una reacción previa (hidrólisis) para convertirla primero en amoníaco:

CO(NH)₂)₂ + H₂O → 2 NH₃ + CO₂

Al ser un sólido altamente soluble en agua (545 g/L a 25 °C), la urea es mucho más fácil y segura de manejar y almacenar que el amoníaco más irritante, cáustico y peligroso ( NH₃), por lo que es el reactivo de elección. Los camiones y automóviles que utilizan estos convertidores catalíticos deben llevar líquido de escape diésel, también vendido como AdBlue, una solución de urea en agua.

Usos de laboratorio

La urea en concentraciones de hasta 10 M es un potente desnaturalizante de proteínas, ya que interrumpe los enlaces no covalentes de las proteínas. Esta propiedad puede aprovecharse para aumentar la solubilidad de algunas proteínas. Una mezcla de urea y cloruro de colina se utiliza como disolvente eutéctico profundo (DES), una sustancia similar al líquido iónico. Cuando se usa en un solvente eutéctico profundo, la urea desnaturaliza gradualmente las proteínas que se solubilizan.

En principio, la urea puede servir como fuente de hidrógeno para la generación de energía posterior en las celdas de combustible. La urea presente en la orina/aguas residuales se puede usar directamente (aunque las bacterias normalmente degradan rápidamente la urea). La producción de hidrógeno por electrólisis de la solución de urea se produce a un voltaje más bajo (0,37 V) y, por lo tanto, consume menos energía que la electrólisis del agua (1,2 V).

La urea en concentraciones de hasta 8 M se puede usar para hacer que el tejido cerebral fijado sea transparente a la luz visible y, al mismo tiempo, conservar las señales fluorescentes de las células marcadas. Esto permite obtener imágenes mucho más profundas de los procesos neuronales que las que se obtenían anteriormente utilizando microscopios confocales convencionales de uno o dos fotones.

Uso médico

Las cremas que contienen urea se utilizan como productos dermatológicos tópicos para favorecer la rehidratación de la piel. Urea 40% está indicada en psoriasis, xerosis, onicomicosis, ictiosis, eccemas, queratosis, queratodermia, durezas y durezas. Si se cubre con un vendaje oclusivo, también se pueden usar preparaciones de urea al 40% para el desbridamiento no quirúrgico de las uñas. Urea 40% "disuelve la matriz intercelular" de la placa ungueal. Solo se eliminan las uñas enfermas o distróficas, ya que no hay efecto en las partes sanas de la uña. Este fármaco (como peróxido de carbamida) también se utiliza para eliminar el cerumen.

La urea también se ha estudiado como diurético. Fue utilizado por primera vez por el Dr. W. Friedrich en 1892. En un estudio de 2010 de pacientes de UCI, la urea se usó para tratar la hiponatremia euvolémica y se encontró que era segura, económica y simple.

Al igual que la solución salina, se ha inyectado urea en el útero para inducir el aborto, aunque este método ya no tiene un uso generalizado.

La prueba de nitrógeno ureico en sangre (BUN) es una medida de la cantidad de nitrógeno en la sangre que proviene de la urea. Se utiliza como marcador de la función renal, aunque es inferior a otros marcadores como la creatinina porque los niveles de urea en sangre están influenciados por otros factores como la dieta, la deshidratación y la función hepática.

La urea también se ha estudiado como excipiente en la formulación de recubrimiento de balón recubierto de fármaco (DCB) para mejorar la administración local del fármaco a los vasos sanguíneos estenóticos. Se descubrió que la urea, cuando se usa como excipiente en pequeñas dosis (~3 μg/mm²) para recubrir la superficie del DCB, forma cristales que aumentan la transferencia del fármaco sin efectos tóxicos adversos en las células endoteliales vasculares.

La urea marcada con carbono-14 o carbono-13 se utiliza en la prueba de aliento con urea, que se utiliza para detectar la presencia de la bacteria Helicobacter pylori (H. pylori) en el estómago y duodeno de humanos, asociado con úlceras pépticas. La prueba detecta la enzima ureasa característica, producida por H. pylori, por una reacción que produce amoníaco a partir de la urea. Esto aumenta el pH (reduce la acidez) del ambiente del estómago alrededor de las bacterias. Especies de bacterias similares a H. pylori se puede identificar mediante la misma prueba en animales como simios, perros y gatos (incluidos los grandes felinos).

Usos varios

• Un ingrediente del fluido de escape diesel (DEF), que es el 32,5% de urea y el 67,5% de agua desinizada. DEF es rociada en el flujo de escape de vehículos diesel para descomponer peligrosa NO_x emisiones en nitrógeno y agua inofensiva.
• Un componente de alimentación animal, proporcionando una fuente relativamente barata de nitrógeno para promover el crecimiento
• Una alternativa no coadyuvante a la sal de roca para el desvío de carreteras. A menudo es el ingrediente principal de los sustitutos de la sal amigable con mascotas, aunque es menos eficaz que la sal de roca tradicional o el cloruro de calcio.
• Un ingrediente principal en los eliminadores de pelo como Nair y Veet
• Un agente de marrones en pretzels producidos en fábrica
• Un ingrediente en algunos crema de la piel, hidratantes, acondicionadores de pelo, y champús
• Un agente de nubes, junto con otras sales
• Un agente a prueba de llamas, comúnmente utilizado en extintores de incendios químicos secos como la mezcla de bicarbonato de urea-potassium
• Un ingrediente en muchos productos de blanqueamiento dental
• Un ingrediente en jabón de plato
• Junto con el fosfato de diammonio, como nutriente de levadura, para la fermentación de azúcares en etanol
• Un nutriente utilizado por plancton en experimentos de nutrición oceánica para fines geoingeniería
• Como aditivo para extender la temperatura de trabajo y tiempo abierto de cola de cuero
• Como aditivo que retiene la solubilidad y la humedad para bañarse textilmente o imprimir
• Como oscilador óptico paramétrico en óptica no lineal

Efectos adversos

La urea puede irritar la piel, los ojos y las vías respiratorias. El contacto repetido o prolongado con la urea en forma de fertilizante sobre la piel puede causar dermatitis.

Las altas concentraciones en la sangre pueden ser dañinas. La ingestión de bajas concentraciones de urea, como las que se encuentran en la orina humana típica, no es peligrosa con la ingestión adicional de agua dentro de un marco de tiempo razonable. Muchos animales (por ejemplo, camellos, roedores o perros) tienen una orina mucho más concentrada que puede contener una mayor cantidad de urea que la orina humana normal.

La urea puede hacer que las floraciones de algas produzcan toxinas, y su presencia en la escorrentía de la tierra fertilizada puede desempeñar un papel en el aumento de las floraciones tóxicas.

La sustancia se descompone al calentarla intensamente por encima del punto de fusión, produciendo gases tóxicos y reacciona violentamente con oxidantes fuertes, nitritos, cloruros inorgánicos, cloritos y percloratos, provocando un incendio y una explosión.

Fisiología

Los aminoácidos de los alimentos ingeridos que se utilizan para la síntesis de proteínas y otras sustancias biológicas, o que se producen a partir del catabolismo de las proteínas musculares, son oxidados por el cuerpo como fuente alternativa de energía, produciendo urea y dióxido de carbono. La vía de oxidación comienza con la eliminación del grupo amino por una transaminasa; el grupo amino luego se alimenta al ciclo de la urea. El primer paso en la conversión de aminoácidos de proteínas en desechos metabólicos en el hígado es la eliminación del nitrógeno alfa-amino, que da como resultado el amoníaco. Debido a que el amoníaco es tóxico, los peces lo excretan inmediatamente, las aves lo convierten en ácido úrico y los mamíferos lo convierten en urea.

El amoníaco (NH₃) es un subproducto común del metabolismo de los compuestos nitrogenados. El amoníaco es más pequeño, más volátil y más móvil que la urea. Si se permite que se acumule, el amoníaco elevaría el pH de las células a niveles tóxicos. Por lo tanto, muchos organismos convierten el amoníaco en urea, aunque esta síntesis tiene un costo energético neto. Siendo prácticamente neutra y altamente soluble en agua, la urea es un vehículo seguro para que el cuerpo transporte y excrete el exceso de nitrógeno.

La urea se sintetiza en el cuerpo de muchos organismos como parte del ciclo de la urea, ya sea a partir de la oxidación de aminoácidos o del amoníaco. En este ciclo, los grupos amino donados por amoníaco y L-aspartato se convierten en urea, mientras que L-ornitina, citrulina, < span class="smallcaps">L-argininosuccinato y < span style="font-variant: small-caps; text-transform: lowercase;">L-arginina actúan como intermediarios. La producción de urea se produce en el hígado y está regulada por el N-acetilglutamato. Luego, la urea se disuelve en la sangre (en el rango de referencia de 2,5 a 6,7 mmol/L) y luego se transporta y excreta por el riñón como componente de la orina. Además, se excreta una pequeña cantidad de urea (junto con cloruro de sodio y agua) en el sudor.

En el agua, los grupos amina se desplazan lentamente por las moléculas de agua y producen amoníaco, iones de amonio e iones de bicarbonato. Por esta razón, la orina vieja y rancia tiene un olor más fuerte que la orina fresca.

Humanos

El ciclo y la excreción de la urea por los riñones es una parte vital del metabolismo de los mamíferos. Además de su función como portadora de nitrógeno residual, la urea también desempeña una función en el sistema de intercambio a contracorriente de las nefronas, que permite la reabsorción de agua e iones críticos de la orina excretada. La urea se reabsorbe en los conductos colectores medulares internos de las nefronas, lo que eleva la osmolaridad en el intersticio medular que rodea la rama descendente delgada del asa de Henle, lo que hace que el agua se reabsorba.

Por la acción del transportador de urea 2, parte de esta urea reabsorbida eventualmente regresa a la delgada rama descendente del túbulo, a través de los conductos colectores y a la orina excretada. El cuerpo utiliza este mecanismo, que está controlado por la hormona antidiurética, para crear orina hiperosmótica, es decir, orina con una mayor concentración de sustancias disueltas que el plasma sanguíneo. Este mecanismo es importante para prevenir la pérdida de agua, mantener la presión arterial y mantener una concentración adecuada de iones de sodio en el plasma sanguíneo.

El contenido de nitrógeno equivalente (en gramos) de la urea (en mmol) se puede estimar mediante el factor de conversión de 0,028 g/mmol. Además, 1 gramo de nitrógeno equivale aproximadamente a 6,25 gramos de proteína, y 1 gramo de proteína equivale aproximadamente a 5 gramos de tejido muscular. En situaciones como la pérdida de masa muscular, 1 mmol de exceso de urea en la orina (medido por el volumen de orina en litros multiplicado por la concentración de urea en mmol/L) corresponde aproximadamente a una pérdida muscular de 0,67 gramos.

Otras especies

En los organismos acuáticos, la forma más común de desechos de nitrógeno es el amoníaco, mientras que los organismos terrestres convierten el amoníaco tóxico en urea o ácido úrico. La urea se encuentra en la orina de mamíferos y anfibios, así como en algunos peces. Las aves y los reptiles saurios tienen una forma diferente de metabolismo del nitrógeno que requiere menos agua y conduce a la excreción de nitrógeno en forma de ácido úrico. Los renacuajos excretan amoníaco, pero pasan a producir urea durante la metamorfosis. A pesar de la generalización anterior, la ruta de la urea se ha documentado no solo en mamíferos y anfibios, sino también en muchos otros organismos, incluidos pájaros, invertebrados, insectos, plantas, levaduras, hongos e incluso microorganismos.

Análisis

La urea se cuantifica fácilmente mediante varios métodos diferentes, como el método colorimétrico de monoxima de diacetilo y la reacción de Berthelot (después de la conversión inicial de urea en amoníaco a través de la ureasa). Estos métodos son compatibles con instrumentación de alto rendimiento, como analizadores de inyección de flujo automatizados y espectrofotómetros de microplacas de 96 pocillos.

Compuestos relacionados

Ureas describe una clase de compuestos químicos que comparten el mismo grupo funcional, un grupo carbonilo unido a dos residuos de amina orgánica: R¹R²N−C(=O)−NR ³R⁴, donde R¹, R², R³ y R⁴ son hidrógeno (–H), organilo u otros grupos. Los ejemplos incluyen peróxido de carbamida, alantoína e hidantoína. Las ureas están estrechamente relacionadas con los biurets y tienen una estructura similar a las amidas, carbamatos, carbodiimidas y tiocarbamidas.

Historia

La urea fue descubierta por primera vez en la orina en 1727 por el científico holandés Herman Boerhaave, aunque este descubrimiento a menudo se atribuye al químico francés Hilaire Rouelle y a William Cruickshank.

Boerhaave utilizó los siguientes pasos para aislar la urea:

1. Boiled off water, resulting in a substance similar to fresh cream
2. Papel filtrante usado para exprimir líquido restante
3. Esperó un año para formar sólido bajo un líquido aceitoso
4. Quitar el líquido aceitoso
5. Disuelva el sólido en agua
6. Recrystallization usado para burlar la urea

En 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler obtuvo urea artificialmente al tratar el cianato de plata con cloruro de amonio.

AgNCO + [NH₄]Cl → CO(NH₂)₂ + AgCl

Esta fue la primera vez que se sintetizó artificialmente un compuesto orgánico a partir de materiales de partida inorgánicos, sin la participación de organismos vivos. Los resultados de este experimento desacreditaron implícitamente el vitalismo, la teoría de que las sustancias químicas de los organismos vivos son fundamentalmente diferentes de las de la materia inanimada. Esta idea fue importante para el desarrollo de la química orgánica. Su descubrimiento llevó a Wöhler a escribir triunfalmente a Jöns Jakob Berzelius:

"Debo decirte que puedo hacer urea sin el uso de riñones, ya sea hombre o perro. El cianato de amonio es urea."

De hecho, su segunda oración fue incorrecta. Cianato de amonio [NH₄]⁺[OCN ]⁻ y urea CO(NH_{2< /sub>)2} son dos sustancias químicas diferentes con la misma fórmula empírica CON₂H₄, que están en equilibrio químico y favorecen en gran medida a la urea en condiciones estándar. De todos modos, con su descubrimiento, Wöhler se aseguró un lugar entre los pioneros de la química orgánica.

Producción

La urea se produce a escala industrial: en 2012, la capacidad de producción mundial fue de aproximadamente 184 millones de toneladas.

Métodos industriales

Para su uso en la industria, la urea se produce a partir de amoníaco sintético y dióxido de carbono. Dado que se producen grandes cantidades de dióxido de carbono durante el proceso de fabricación de amoníaco como subproducto de los hidrocarburos (predominantemente gas natural, con menos frecuencia derivados del petróleo) u ocasionalmente del carbón (reacción de cambio de agua), las plantas de producción de urea casi siempre se ubican junto al sitio. donde se fabrica el amoníaco. Aunque el gas natural es la materia prima para plantas de amoníaco más económica y más ampliamente disponible, las plantas que lo utilizan no producen tanto dióxido de carbono del proceso como se necesita para convertir toda su producción de amoníaco en urea. En los últimos años, se han desarrollado nuevas tecnologías, como el proceso KM-CDR, para recuperar el dióxido de carbono suplementario de los gases de escape de la combustión producidos en el horno de reformado encendido de la planta de gas de síntesis de amoníaco, lo que permite a los operadores de complejos de fertilizantes nitrogenados independientes evitar la necesitan manejar y comercializar amoníaco como un producto separado y también reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

Síntesis

Planta de Urea con briquetas de carbamato de amonio, Laboratorio de Investigación de Nitrógeno Fijo, ca. 1930

El proceso básico, desarrollado en 1922, también se denomina proceso de urea de Bosch-Meiser en honor a sus descubridores. Varios procesos comerciales de urea se caracterizan por las condiciones bajo las cuales se forma la urea y la forma en que se procesan más los reactivos no convertidos. El proceso consta de dos reacciones de equilibrio principales, con conversión incompleta de los reactivos. La primera es la formación de carbamatos: la rápida reacción exotérmica del amoníaco líquido con dióxido de carbono gaseoso (CO₂) a alta temperatura y presión para formar carbamato de amonio ([NH₄]⁺[NH₂COO]⁻):

2 NH₃ + CO₂ [NH]₄]⁺[NH₂COO]⁻ (Δ)H = −117 kJ/mol a 110 atm y 160 °C)

El segundo es la conversión de urea: la descomposición endotérmica más lenta del carbamato de amonio en urea y agua:

[NH₄]⁺[NH₂COO]⁻ ⇌ CO(NH)₂)₂ + H₂O (Δ)H = +15.5 kJ/mol a 160–180 °C)

La conversión general de NH₃ y CO< sub class="template-chem2-sub">2 a la urea es exotérmica, el calor de reacción de la primera reacción impulsa la segunda. Como todos los equilibrios químicos, estas reacciones se comportan según el principio de Le Chatelier, y las condiciones que más favorecen la formación de carbamatos tienen un efecto desfavorable sobre el equilibrio de conversión de la urea. Las condiciones del proceso son, por lo tanto, un compromiso: el efecto negativo de la alta temperatura (alrededor de 190 °C) necesaria para la segunda en la primera reacción se compensa realizando el proceso a alta presión (140–175 bar), que favorece la primera reacción. Aunque es necesario comprimir el dióxido de carbono gaseoso a esta presión, el amoníaco está disponible en la planta de amoníaco en forma líquida, que se puede bombear al sistema de manera mucho más económica. Para permitir que el tiempo de reacción de formación lenta de urea alcance el equilibrio, se necesita un gran espacio de reacción, por lo que el reactor de síntesis en una gran planta de urea tiende a ser un recipiente a presión masivo.

Debido a que la conversión de urea es incompleta, el producto debe separarse del carbamato de amonio sin cambios. A principios de "directo" las plantas de urea esto se hizo reduciendo la presión del sistema a la atmosférica para permitir que el carbamato se descompusiera nuevamente en amoníaco y dióxido de carbono. Originalmente, debido a que no era económico volver a comprimir el amoníaco y el dióxido de carbono para reciclarlos, al menos el amoníaco se utilizaría para la fabricación de otros productos, por ejemplo, nitrato o sulfato de amonio. (El dióxido de carbono generalmente se desperdiciaba). Los esquemas de procesos posteriores hicieron práctico el reciclaje de amoníaco y dióxido de carbono no utilizados. Esto se logró despresurizando la solución de reacción en etapas (primero a 18 – 25 bar y luego a 2 – 5 bar) y pasándola en cada etapa a través de un descomponedor de carbamato calentado con vapor, luego recombinando el resultante dióxido de carbono y amoníaco en un condensador de carbamato de película descendente y bombeando la solución de carbamato a la etapa anterior.

Concepto de pelado

El "reciclado total" concepto tiene dos desventajas principales. El primero es la complejidad del esquema de flujo y, en consecuencia, la cantidad de equipo de proceso necesario. El segundo es la cantidad de agua reciclada en la solución de carbamato, que tiene un efecto adverso sobre el equilibrio en la reacción de conversión de urea y, por lo tanto, sobre la eficiencia general de la planta. El concepto de decapado, desarrollado a principios de la década de 1960 por Stamicarbon en los Países Bajos, abordó ambos problemas. También mejoró la recuperación de calor y la reutilización en el proceso.

La posición del equilibrio en la formación/descomposición del carbamato depende del producto de las presiones parciales de los reactivos. En los procesos de reciclado total, la descomposición del carbamato se promueve al reducir la presión general, lo que reduce la presión parcial tanto del amoníaco como del dióxido de carbono. Sin embargo, es posible lograr un efecto similar sin disminuir la presión general, al suprimir la presión parcial de solo uno de los reactivos. En lugar de alimentar gas de dióxido de carbono directamente al reactor con el amoníaco, como en el proceso de reciclaje total, el proceso de extracción primero dirige el dióxido de carbono a través de un separador (un descomponedor de carbamato que opera bajo la presión total del sistema y está configurado para proporcionar el máximo de gas). contacto con líquidos). Esto elimina el amoníaco libre, reduciendo su presión parcial sobre la superficie del líquido y llevándolo directamente a un condensador de carbamato (también bajo la presión total del sistema). Desde allí, el licor de carbamato de amonio reconstituido pasa directamente al reactor. Eso elimina por completo la etapa de presión media del proceso de reciclaje total.

El concepto de desmontaje fue un avance tan importante que competidores como Snamprogetti (ahora Saipem) (Italia), la antigua Montedison (Italia), Toyo Engineering Corporation (Japón) y Urea Casale (Suiza) desarrollaron versiones del mismo. Hoy en día, efectivamente todas las plantas de urea nuevas usan el principio, y muchas plantas de urea de reciclaje total se han convertido a un proceso de extracción. Nadie ha propuesto una alternativa radical al enfoque. El impulso principal del desarrollo tecnológico actual, en respuesta a las demandas de la industria de plantas individuales cada vez más grandes, está dirigido a reconfigurar y reorientar los elementos principales de la planta para reducir el tamaño y la altura total de la planta, y cumplir con el desempeño ambiental desafiante. objetivos

Reacciones secundarias

Es una suerte que la reacción de conversión de la urea sea lenta. Si no fuera así, iría en reversa en el stripper. Tal como están las cosas, las etapas sucesivas del proceso deben diseñarse para minimizar los tiempos de residencia, al menos hasta que la temperatura se reduzca hasta el punto en que la reacción de reversión sea muy lenta.

Dos reacciones producen impurezas. El biuret se forma cuando dos moléculas de urea se combinan con la pérdida de una molécula de amoníaco.

2 NH₂CONH₂ → NH₂CONHCONH₂ + NH₃

Normalmente esta reacción se suprime en el reactor de síntesis manteniendo un exceso de amoníaco, pero después del stripper se produce hasta que se reduce la temperatura. Biuret es indeseable en la urea fertilizante porque es tóxico para las plantas de cultivo, aunque en qué medida depende de la naturaleza del cultivo y el método de aplicación de la urea. (Biuret en realidad es bienvenido en urea cuando se usa como suplemento alimenticio para ganado).

El ácido isociánico HNCO y el amoníaco NH₃ resultan de la descomposición térmica del cianato de amonio [NH₄]⁺[OCN]⁻, que está en equilibrio químico con la urea:

CO(NH)₂)₂ [NH]₄]⁺[OCN]⁻ → HNCO + NH₃

Esta reacción es peor cuando la solución de urea se calienta a baja presión, lo que sucede cuando la solución se concentra para la formación de perlas o la granulación (ver a continuación). La mayoría de los productos de reacción se volatilizan en los vapores de cabeza y se recombinan cuando estos se condensan para formar urea nuevamente, lo que contamina el condensado del proceso.

Corrosión

Las soluciones de carbamato de amonio son notoriamente corrosivas para los materiales de construcción metálicos, incluso para las formas más resistentes de acero inoxidable, especialmente en las partes más calientes de la planta, como el separador. Históricamente, la corrosión se ha minimizado (aunque no eliminado) mediante la inyección continua de una pequeña cantidad de oxígeno (como aire) en la planta para establecer y mantener una capa pasiva de óxido en las superficies expuestas de acero inoxidable. Debido a que la alimentación de dióxido de carbono se recupera del gas de síntesis de amoníaco, contiene trazas de hidrógeno que pueden mezclarse con el aire de pasivación para formar una mezcla explosiva si se permite que se acumule.

A mediados de la década de 1990, se introdujeron dos aceros inoxidables dúplex (ferrítico-austenítico) (DP28W, desarrollado conjuntamente por Toyo Engineering y Sumitomo Metals Industries y Safurex, desarrollado conjuntamente por Stamicarbon y Sandvik Materials Technology (Suecia).) Estos permitieron fabricar drásticamente reducir la cantidad de oxígeno de pasivación. En teoría, podrían operar sin oxígeno.

Saipem ahora utiliza tubos extractores de zirconio o tubos bimetálicos con cuerpo de titanio (más baratos pero menos resistentes a la erosión) y un revestimiento interno de zirconio adherido metalúrgicamente. Estos tubos están fabricados por ATI Wah Chang (EE. UU.) utilizando su técnica Omegabond.

Acabado

La urea se puede producir en forma de pepitas, gránulos, gránulos, cristales y soluciones.

Formas sólidas

Para su uso principal como fertilizante, la urea se comercializa principalmente en forma sólida, ya sea como gránulos o gránulos. La ventaja de los gránulos es que, en general, se pueden producir más económicamente que los gránulos y que la técnica se estableció firmemente en la práctica industrial mucho antes de que se comercializara un proceso de granulación de urea satisfactorio. Sin embargo, debido al tamaño limitado de las partículas que se pueden producir con el grado deseado de esfericidad y su baja resistencia a la trituración y al impacto, el rendimiento de los gránulos durante el almacenamiento, la manipulación y el uso a granel se considera generalmente (con algunas excepciones) inferior al de gránulos.

Los fertilizantes compuestos de alta calidad que contienen nitrógeno cogranulado con otros componentes, como los fosfatos, se han producido de manera rutinaria desde los comienzos de la industria moderna de fertilizantes, pero debido al bajo punto de fusión y la naturaleza higroscópica de la urea, se necesitó coraje para aplicarlos. el mismo tipo de tecnología para granular urea por sí sola. Pero a fines de la década de 1970, tres empresas comenzaron a desarrollar la granulación en lecho fluidizado.

Soluciones UAN

En mezcla, la solubilidad combinada del nitrato de amonio y la urea es mucho más alta que la de cualquiera de los componentes solos, por lo que es posible obtener una solución estable (conocida como UAN) con un contenido de nitrógeno total (32 %) que se aproxima al de nitrato de amonio sólido (33,5%), aunque no, por supuesto, el de la propia urea (46%). Dadas las constantes preocupaciones de seguridad que rodean al nitrato de amonio sólido de grado fertilizante, la UAN ofrece una alternativa considerablemente más segura sin sacrificar por completo las propiedades agronómicas que hacen que el nitrato de amonio sea más atractivo que la urea como fertilizante en áreas con temporadas de crecimiento cortas. También es más cómodo de almacenar y manipular que un producto sólido y más fácil de aplicar con precisión al terreno por medios mecánicos.

Preparación de laboratorio

Se puede acceder a las ureas en el sentido más general en el laboratorio mediante la reacción de fosgeno con aminas primarias o secundarias:

COCl₂ + 4 RNH₂ → (RNH)₂CO + 2 [RNH₃]⁺Cl⁻

Estas reacciones proceden a través de un intermedio de isocianato. Se puede acceder a las ureas no simétricas mediante la reacción de aminas primarias o secundarias con un isocianato.

La urea también se puede producir calentando cianato de amonio a 60 °C.

[NH₄]⁺[OCN]⁻ → (NH₂)₂CO

Proceso histórico

La urea fue detectada por primera vez por Herman Boerhaave a principios del siglo XVIII a partir de evaporaciones de orina. En 1773, Hilaire Rouelle obtuvo cristales que contenían urea a partir de orina humana evaporándola y tratándola con alcohol en sucesivas filtraciones. Este método fue ayudado por el descubrimiento de Carl Wilhelm Scheele de que la orina tratada con ácido nítrico concentrado precipitaba cristales. Antoine François, conde de Fourcroy y Louis Nicolas Vauquelin descubrieron en 1799 que los cristales nitrados eran idénticos a la sustancia de Rouelle e inventaron el término "urea". Berzelius hizo más mejoras en su purificación y finalmente William Prout, en 1817, logró obtener y determinar la composición química de la sustancia pura. En el procedimiento evolucionado, la urea se precipitó como nitrato de urea añadiendo ácido nítrico fuerte a la orina. Para purificar los cristales resultantes, se disolvieron en agua hirviendo con carbón vegetal y se filtraron. Después de enfriar, se forman cristales puros de nitrato de urea. Para reconstituir la urea a partir del nitrato, los cristales se disuelven en agua tibia y se agrega carbonato de bario. Luego se evapora el agua y se agrega alcohol anhidro para extraer la urea. Esta solución se escurre y se evapora, quedando urea pura.

Propiedades

Estructura molecular y cristalina

La molécula de urea es plana. En la urea sólida, el centro de oxígeno forma dos enlaces de hidrógeno N-H-O. La red resultante de enlaces de hidrógeno densa y energéticamente favorable probablemente se establezca a costa de un empaquetamiento molecular eficiente: la estructura es bastante abierta, las cintas forman túneles con una sección transversal cuadrada. El carbono en la urea se describe como sp² hibridado, los enlaces C-N tienen un carácter de doble enlace significativo y el oxígeno del carbonilo es básico en comparación con, por ejemplo, el formaldehído. La alta solubilidad acuosa de la urea refleja su capacidad para participar en extensos enlaces de hidrógeno con el agua.

En virtud de su tendencia a formar estructuras porosas, la urea tiene la capacidad de atrapar muchos compuestos orgánicos. En estos llamados clatratos, el "huésped" Las moléculas se mantienen en canales formados por hélices interpenetrantes compuestas de moléculas de urea unidas por hidrógeno. Este comportamiento se puede utilizar para separar mezclas, por ejemplo, en la producción de combustible de aviación y aceites lubricantes, y en la separación de hidrocarburos.

Como las hélices están interconectadas, todas las hélices de un cristal deben tener la misma lateralidad molecular. Esto se determina cuando el cristal está nucleado y, por lo tanto, puede forzarse mediante siembra. Los cristales resultantes se han utilizado para separar mezclas racémicas.

Reacciones

La urea es básica. Como tal, se protona fácilmente. También es una base de Lewis que forma complejos del tipo [M(urea)₆]ⁿ⁺.

La urea fundida se descompone en gas amoníaco y ácido isociánico:

CO(NH)₂)₂ → NH₃ + HNCO

A través del ácido isociánico, el calentamiento de la urea se convierte en una variedad de productos de condensación, incluido el biuret NH₂CONHCONH₂, triuret NH₂CONHCONHCONH₂, guanidina HNC(NH₂) ₂, y melamina:

CO(NH)₂)₂ + HNCO → NH₂CONHCONH₂

NH₂CONHCONH₂ + HNCO → NH₂CONHCONHCONH₂

En solución acuosa, la urea se equilibra lentamente con cianato de amonio. Esta hidrólisis cogenera ácido isociánico, que puede carbamilar proteínas.

La urea reacciona con los ésteres malónicos para producir ácidos barbitúricos.

La urea se puede utilizar para la obtención de disolventes eutécticos profundos con ácido sulfámico

Etimología

Urea es nuevo latín, del francés urée, del griego antiguo < span title="texto en idioma griego">οὖρον (ouron, "orina"), en sí mismo de Proto -Indoeuropeo *h₂worsom.