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尿素的传奇----转自公众号“化说化学”

作者:小编 时间:2025-03-25 08:00:14 点击:

  谷雨将至,气温回升,降水显增,正是谷物庄稼茁壮成长之时,侍农者为保障庄稼丰收,除草施肥必不可少。正可谓清明谷雨四月天,整地施肥正当时。肥料就像庄稼的营养补充剂,补充农作物必需的氮、磷、钾、钙、镁等无机元素,是庄稼茁壮丰收的保障。

  氮长叶,磷长果,钾长根(七十年代农业知识口诀),氮、磷、钾三种元素为主的肥料应用最为广泛,虽不同农作物对三种元素需求量不同,但从肥料的消费角度出发,氮肥的消费比例最大【1】。

  氮肥是以氮元素为主要成分的化肥,包括铵态、硝态、硝铵态和酰胺态四种。在所有氮肥中含氮量最高的当属尿素,属于酰胺态,是无机肥中的有机物(如图),也是我们今天的主角。

  尿素俗名为脲(urea)或碳酰胺,化学式为CH4N2O或CO(NH2)2,为哺乳动物体内蛋白质代谢的一种最终产物,存在于尿液和汗液中,因此最早,尿素是从动物尿液中提取而来的。

  在众多伟大的偶然发m6米乐官网 米乐M6平台入口现和发明事件中,尿素的发现尚算平凡,但尿素的人工合成却实属伟大。且不提没有人工合成就不可能得以广泛应用这一点,就有机合成学科而言,尿素的首次人工合成可以说是有机化学尤其是有机合成领域的鼻祖,具有里程碑意义。

  在古代,科学朦胧时期,化学就以燃烧、中草药煎熬、酿酒发酵、炼丹等形式存在于民间,那时候的人们以为从生命体得到的物质只能从生命体来,在出现了化学和有机物这个概念后,就形成了“生命力”学说,认为有机物是由“生命力”创造的,不能人力获取,只有有机生命体才能产生有机物。

  早在18世纪70年代,就有人就从动物尿液中提取得到一种白色固体物并命名为尿素,那还是生命力学说控制的年代。

  1828年,德国Hinsberg大学还是医学院学生的弗里德里希·维勒(Friedrich Wohler),用氯化铵NH4Cl(无机物)溶液处理氰化银AgCN(无机物)得到氰酸铵(无机物),而后蒸发氰酸铵溶液,居然得到了之前只能从哺乳动物尿液中提取的尿素。

  这是历史上首次用人工方法从无机物制备得到有机物。这无意中的发现惊动了当时的化学界,打破了当时流行的“生命力论”,化学家们的思想开始从生命力学说的禁锢中解放出来,从此开启了人工合成有机化合物即有机合成的研究,才有了当下丰富多样的有机物创造出的物资充沛、缤纷绚丽的世界。

  维勒之后陆续出现了尿素制备的其他人工方法,多达50多种,但都未能实现工业化。19世纪70年代,研究发现了氨(NH3)和二氧化碳(CO2)为原料制备尿素的方法,成为当代尿素工业化基础。

  但当时合成氨工业的设备制造及防腐蚀等问题未能解决,尿素的工业化生产受到限制。

  直到20世纪初工业化规模生产氨实现后(这又是另一个曲折的故事),氨的成本大大降低。世界上第一座氨(NH3)和二氧化碳(CO2)为原料生产尿素的工厂在1922年,由法本公司于德国奥堡投建,开启了尿素的工业化规模生产的历史。

  尿素的工业化大规模生产对人类的贡献之大不亚于中国的杂交稻的发现,其根本原因在于尿素作为氮肥在农作物中的广泛应用及其可见的增产提质效果。

  第一次世界大战末期德国开始将尿素用作肥料,作为一种高浓度的有机态氮肥,尿素属于中性速效化肥,适用于各种土壤和植物,可作为基肥、追肥(不懂请移步百度),旱地水田都可用。在促进植物细胞的分裂和生长,使枝叶生长茂盛中发挥了重要作用【3】,达到疏花疏果、调节花量、水稻制种、防治虫害等效果。

  20世纪50年代以后,尿素成为各国重点发展的氮肥品种。在1960~1975年的15年中,全球的尿素产量增加了10.5倍,并从70年代开始逐步代替了硝酸铵而成为世界各国施用最多的氮肥品种【4】。目前尿素的生产速度和规模,远远超过了其他氮肥。

  为什么尿素的产量会上涨得如此之快呢?因为尿素在很多领域都发挥着重要的作用,在农业肥料行当有着难以替代的优势【5】:

  尿素含氮量在46%以上,在各种固体氮肥中含氮量最高。是硝酸铵的1.3倍,硫酸铵的2.2倍,氯化铵的1.8倍,石灰氮的2.56倍,碳酸氢铵的2.6倍,磷酸铵的2.56倍。

  尿素是有机物,不易挥发,氮元素被牢牢禁锢在尿素分子中。与氨态和硝铵态氮肥相比,在贮存和施用时不会发出刺鼻的氨味,造成氮的流失。与硝态和硝铵态氮肥相比,在土壤中不会因为反硝化作用造成脱氮损失。

  尿素对土壤破坏力小,属于无公害蔬菜生产允许使用的化肥行列。无有害物残留,适应农作物广泛。

  一是作为酰胺态氮肥,其有效氮以酰胺基形态(-CONH2)存在,不易挥发,不仅减少了氮的损失,也减少了对大气的污染。

  如此种种优势为小小尿素分子在新试剂新材料层出不穷的当代社会中得以生存并长远发展保驾护航,在此基础上,尿素在其他领域譬如医学、日化品中也扮演着重要角色,下期我们将为大家奉上。

  【1】陈同斌,陈世庆,徐鸿涛,黄诗铿,陈炎.中国农用化肥氮磷钾需求比例的研究[J].地理学报,1998,53(1):32-41