اوره
اوره (Urea) یک ترکیب شیمیایی با فرمول \( CO(NH_{2})_{2} \) است که به طور گسترده در طبیعت و صنایع مختلف یافت می‌شود. در ادامه اطلاعات جامعی درباره آن ارائه می‌دهم:
تعریف و ساختار شیمیایی
- فرمول شیمیایی: \( CO(NH_{2})_{2} \)
- جرم مولی: حدود ۶۰٫۰۶ گرم بر مول
- ساختار: اوره یک ترکیب آلی است که شامل یک گروه کربونیل (\( C=O \)) متصل به دو گروه آمین (\( NH_{2} \)) است.
- شکل ظاهری: به صورت جامد سفید رنگ، بی‌بو و بلوری ظاهر می‌شود. در آب به راحتی حل می‌شود و خاصیت جاذب رطوبت دارد.
ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی
- نقطه ذوب: حدود ۱۳۲٫۷ درجه سانتی‌گراد
- انحلال پذیری : بسیار محلول در آب و الکل، اما در حلال‌های غیرقطبی مانند بنزن حل نمی‌شود.
- پایداری: در دمای بالا تجزیه می‌شود و آمونیاک (\( NH_{3} \)) و کربن دی‌اکسید (\( CO_{2} \)) تولید می‌کند. در دمای بالاتر از 130 درجه سلسیوس به آمونیاک و ایزو سیانیک اسید می دهد .
\( (NH_{2})_{2}CO(s)\xrightarrow[\hspace{2cm}]{>130^{\circ}C}NH_{3}(g)+HNCO(g) \)
pH: محلول آبی آن تقریباً خنثی و نزدیک 7 است.
تولید اوره
- فرایند طبیعی: در بدن موجودات زنده (به‌ویژه پستانداران) از طریق چرخه (Urea Cycle) در کبد تولید می‌شود. این ترکیب محصول نهایی متابولیسم پروتئین‌ها و آمینواسیدها است و از طریق ادرار دفع می‌شود.
- تولید صنعتی: به صورت صنعتی از واکنش آمونیاک (\( NH_{3} \)) و کربن دی‌اکسید (\( CO_{2} \)) تحت فشار و دمای بالا تولید می‌شود. این فرایند که به نام فرایند هابر-بوش شناخته می‌شود، شامل مراحل زیر است:
۱. تشکیل آمونیوم کاربامات (\( NH_{2}COONH_{4} \)) ۲. تجزیه آمونیوم کاربامات به اوره و آب
\( 4NH_{3}(g)+2CO_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{2cm}]{}2NH_{2}COONH_{4} \\ NH_{2}COONH_{4}\xrightarrow[\hspace{3.5cm}]{130-200^{\circ}C /125-250atm}2NH_{3}(g)+CO_{2}(g) \)
- تولید جهانی: سالانه میلیون‌ها تن از آن در جهان تولید می‌شود، عمدتاً برای استفاده در کشاورزی و صنایع شیمیایی.
کاربردهای اوره
الف) کشاورزی
کود شیمیایی: به دلیل دارا بودن ۴۶٪ نیتروژن، یکی از مهم‌ترین کودهای نیتروژنی است. این ترکیب به گیاهان کمک می‌کند تا نیتروژن مورد نیاز برای رشد را دریافت کنند.
مزایا: ارزان، حمل آسان، و حلالیت بالا.
معایب: در خاک مرطوب ممکن است به آمونیاک تبدیل شده و از طریق تبخیر از دسترس گیاه خارج شود.
ب) صنعت
رزین‌ها و پلاستیک‌ها: در تولید رزین‌های اوره-فرمالدهید استفاده می‌شود که در ساخت چسب، تخته سه‌لا، و ام‌دی‌اف کاربرد دارد.
\( n(NH_{2})_{2}CO(s)+nHCHO(g)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{}[(NH_{2})_{2}CO-CH_{2})]_{n}(s)+nH_{2}O(l) \)
محصولات آرایشی و بهداشتی: به عنوان مرطوب‌کننده در کرم‌ها و لوسیون‌ها استفاده می‌شود.
صنعت خودرو: در سیستم‌های کاهش آلایندگی (SCR) برای کاهش اکسیدهای نیتروژن (\( NO_{x} \)) در خودروهای دیزلی استفاده می‌شود (معروف به AdBlue یا DEF).
مواد منفجره: اوره نیترات، مشتقی از این ماده که در برخی مواد منفجره استفاده می‌شود.
\( (NH_{2})_{2}CO(s)+HNO_{3}(aq)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{20-30^{\circ}C}(NH_{2})_{2}CO.HNO_{3}(s) \)
ج) پزشکی
- تشخیص پزشکی: سطح اوره در خون (BUN – Blood Urea Nitrogen) برای ارزیابی عملکرد کلیه‌ها و کبد استفاده می‌شود.
- کاربرد درمانی: در برخی کرم‌های پوستی برای درمان بیماری‌های پوستی مانند پسوریازیس یا اگزما به کار می‌رود.
نقش بیولوژیکی
- محصول نهایی متابولیسم نیتروژن در بدن انسان و بسیاری از حیوانات است.
- در چرخه آن ، آمونیاک سمی که از تجزیه پروتئین‌ها تولید می‌شود، به اوره تبدیل شده و از طریق کلیه‌ها دفع می‌شود.
- برخی موجودات دریایی (مانند کوسه‌ها) از این ماده برای تنظیم اسمزی در بدن خود استفاده می‌کنند.
تأثیرات زیست‌محیطی
- مزایا: به دلیل حلالیت بالا و تجزیه‌پذیری، به طور کلی برای محیط زیست بی‌خطر است.
- معایب: استفاده بیش از حد در کشاورزی می‌تواند منجر به آلودگی آب‌های زیرزمینی با نیترات شود. همچنین، تجزیه این ماده در خاک می‌تواند گاز آمونیاک آزاد کند که به آلودگی هوا کمک می‌کند.
نکات ایمنی
- به طور کلی غیرسمی است، اما تماس طولانی‌مدت با پوست یا استنشاق گرد آن ممکن است باعث تحریک شود.
- در صورت بلع مقادیر زیاد، ممکن است باعث ناراحتی گوارشی شود.
- باید در جای خشک و خنک نگهداری شود، زیرا در معرض رطوبت به سرعت تجزیه می‌شود.
تاریخچه
- اوره اولین ترکیب آلی بود که در سال ۱۸۲۸ توسط فردریش وهلر به صورت مصنوعی از مواد معدنی (آمونیوم سیانات) سنتز شد. این کشف نقطه عطفی در شیمی آلی بود، زیرا نشان داد که ترکیبات آلی می‌توانند بدون نیاز به موجودات زنده تولید شوند.
\( NH_{4}OCN(s)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{60-100^{\circ}C}(NH_{2})_{2}CO(s) \)
- اوره در ادرار انسان به مقدار قابل‌توجهی وجود دارد (حدود ۹٫۳ گرم در لیتر).
- در برخی فرهنگ‌ها، ادرار (حاوی اوره) به طور سنتی برای اهداف دارویی یا کشاورزی استفاده می‌شده است.
- اوره در دمای بالا می‌تواند به سیانوریک اسید یا بی‌اورت \( C_{2}H_{5}N_{3}O_{2} \)تبدیل شود.
- فناوری نانو: در سنتز نانومواد، مانند نانوذرات نیترید کربن یا نانوکامپوزیت‌ها، به عنوان یک پیش‌ماده نیتروژنی استفاده می‌شود. این مواد در حسگرها، کاتالیزورها و ذخیره‌سازی انرژی کاربرد دارند.
- ذخیره‌سازی هیدروژن: تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که اوره می‌تواند به عنوان یک حامل شیمیایی برای ذخیره‌سازی و انتقال هیدروژن در سیستم‌های انرژی پاک استفاده شود، زیرا تجزیه آن می‌تواند هیدروژن آزاد کند.
- تصفیه آب: اوره به عنوان منبعی برای تولید آمونیاک در فرایندهای تصفیه آب (مانند حذف نیترات‌ها) در برخی سیستم‌های پیشرفته استفاده می‌شود.
در علوم فضایی
- حیات فرازمینی: اوره به دلیل سادگی ساختار شیمیایی‌اش، یکی از مولکول‌های مورد توجه در اخترشیمی است. این ترکیب در شهاب‌سنگ‌ها و محیط‌های بین‌ستاره‌ای شناسایی شده و ممکن است نقشی در منشأ حیات داشته باشد.
- سوخت موشک: مشتقات اوره، مانند نیترات اوره، در برخی تحقیقات به عنوان سوخت جامد برای موشک‌ها بررسی شده‌اند، زیرا انرژی بالایی دارند و تولید گازهای غیرسمی می‌کنند.
در میکروبیولوژی
- تشخیص باکتری‌ها: برخی باکتری‌ها (مانند هلیکوباکتر پیلوری) آنزیم اوره‌آز تولید می‌کنند که اوره را به آمونیاک وکربن دی‌اکسید تجزیه می‌کند. این خاصیت در تست‌های تشخیصی مانند تست تنفسی اوره (Urea Breath Test) برای شناسایی عفونت‌های معده استفاده می‌شود.
- رشد میکروارگانیسم‌ها: اوره به عنوان منبع نیتروژن در محیط‌های کشت میکروبی برای رشد باکتری‌ها یا قارچ‌ها استفاده می‌شود.
در صنایع غذایی
- افزودنی غذایی: در برخی کشورها، این ماده به مقدار بسیار کم به عنوان یک عامل تثبیت‌کننده یا تنظیم‌کننده pH در محصولات غذایی خاص (مانند پنیر یا خمیر) استفاده می‌شود، اگرچه این کاربرد به شدت کنترل‌شده است.
- تقلب غذایی: متأسفانه، در برخی موارد غیرقانونی، اوره به شیر اضافه می‌شود تا میزان نیتروژن ظاهری (و در نتیجه پروتئین) را افزایش دهد. این عمل خطرناک است و می‌تواند به مشکلات کلیوی منجر شود.
تأثیرات اوره در اکوسیستم‌های آبی
- چرخه نیتروژن در اقیانوس‌ها: این ماده منبع مهمی از نیتروژن برای فیتوپلانکتون‌ها در اقیانوس‌هاست. این موجودات میکروسکوپی از این ماده برای رشد استفاده می‌کنند، که بر زنجیره غذایی دریایی تأثیر می‌گذارد.
- آلودگی دریاچه‌ها: افزایش اوره در آب‌های سطحی (به دلیل روان‌آب‌های کشاورزی) می‌تواند باعث رشد بیش از حد جلبک‌ها (Eutrophication) شود، که به کاهش اکسیژن آب و مرگ موجودات آبزی منجر می‌شود.
سنتز سبز اوره
- روش‌های پایدار: تحقیقات جدید بر تولید این ماده با روش‌های کم‌مصرف انرژی و بدون استفاده از سوخت‌های فسیلی متمرکز است. برای مثال، استفاده از انرژی خورشیدی یا الکتروکاتالیست‌ها برای واکنش آمونیاک و CO₂ در حال بررسی است.
- بازیافت اوره: در برخی سیستم‌های صنعتی، این ترکیب از فاضلاب‌های حاوی نیتروژن بازیافت می‌شود تا دوباره به عنوان کود یا ماده اولیه استفاده شود.
اوره در تاریخ و فرهنگ
- استفاده‌های باستانی: در برخی تمدن‌های باستانی، ادرار (حاوی اوره) برای سفید کردن پارچه‌ها یا نرم کردن چرم استفاده می‌شد، زیرا آمونیاک حاصل از تجزیه اوره خاصیت پاک‌کنندگی دارد.
- نماد علمی: سنتز اوره توسط وهلر در ۱۸۲۸ نه تنها شیمی آلی را متحول کرد، بلکه ایده «نیروی حیاتی» (Vitalism) را که معتقد بود ترکیبات آلی فقط توسط موجودات زنده تولید می‌شوند، رد کرد.
خواص نوری و حرارتی
- کاربرد در لیزرها: کریستال‌های اوره به دلیل خواص غیرخطی نوری در لیزرهای اپتیکی و اپتوالکترونیک مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.
- مواد عایق حرارتی: برخی پلیمرهای مبتنی بر این ترکیب به دلیل مقاومت حرارتی بالا در صنایع هوافضا و عایق‌سازی استفاده می‌شوند.
واکنش با الکل‌ها (تشکیل اورتان‌ها)
اوره می‌تواند با الکل‌ها در حضور کاتالیزورها واکنش داده و اورتان‌ها (کاربامات‌ها) تولید کند. این واکنش نیاز به دمای بالا و کاتالیزگر ( اسید یا باز ) دارد . اورتان ها در تولید پلاستیک ها ، پلیمرها و مواد دارویی استفاده می شود .
\( (NH_{2})_{2}CO(s)+ROH\xrightarrow[\hspace{2cm}]{120-200^{\circ}C/H^{+}}NH_{3}(g)+RCOONH_{2} \)
واکنش با نیترو اسید (تشخیص اوره)
اوره با نیترواسید (\( HNO_{2} \)) واکنش داده و نیتروژن گازی، کربن دی‌اکسید ، و آب تولید می‌کند. این واکنش برای شناسایی کیفی اوره در آزمایشگاه استفاده می‌شود.
\( (NH_{2})_{2}CO(s)+2HNO_{2}(aq)\xrightarrow[\hspace{2cm}]{}N_{2}(g)+CO_{2}+3H_{2}O(l) \)
واکنش با کلر یا هیپوکلریت (تشکیل هیدرازین)
در حضور سدیم هیپوکلریت (\( NaClO \)) و در شرایط قلیایی، اوره می‌تواند به هیدرازین (\( N_{2}H_{4} \)) تبدیل شود. هیدرازین در تولید سوخت موشک، مواد شیمیایی، و داروسازی استفاده می‌شود.
\( (NH_{2})_{2}CO(s)+3NaClO(aq)+2NaOH(aq)\xrightarrow[\hspace{2cm}]{}N_{2}H_{4}(l)+Na_{2}CO_{3}(aq)+NaCl(aq)+2H_{2}O(l) \)
اکسیداسیون اوره
اوره می‌تواند در حضور اکسیدکننده‌های قوی (مانند پتاسیم پرمنگنات یا هیدروژن پراکسید ) اکسید شده و به نیتروژن، کربن دی‌اکسید ، و آب تبدیل شود. این واکنش در تصفیه فاضلاب‌های حاوی اوره یا در فرایندهای شیمیایی خاص استفاده می‌شود.
\( (NH_{2})_{2}CO(s)\xrightarrow[\hspace{2cm}]{[O]}N_{2}(g)+CO_{2}(g)H_{2}O(l) \)
واکنش با فلزات و تشکیل کمپلکس
اوره می‌تواند به عنوان یک لیگاند در شیمی کوئوردیناسیون عمل کرده و با یون‌های فلزی (مانند نیکل، مس، یا کبالت) کمپلکس تشکیل دهد. این کمپلکس‌ها در کاتالیزورها، حسگرها، یا سنتز مواد پیشرفته استفاده می‌شوند.
\( 6(NH_{2})_{2}CO(s)+Ni^{2+}(aq)\xrightarrow[\hspace{2cm}]{}[Ni((NH_{2})_{2}CO)_{6}]^{2+} \)
۱۰. واکنش با گوگرد دی‌اکسید (\( SO_{2} \))
در برخی سیستم‌های صنعتی، اوره با گوگرد دی‌اکسید واکنش داده و ترکیباتی مانند آمونیوم سولفیت تولید می‌کند.
این واکنش در سیستم‌های حذف گازهای آلاینده (مانند دودکش‌های صنعتی) برای کاهش انتشار \( SO_{2} \) استفاده می‌شود.
