Самозарождение мочевины

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Мочевина, или карбамид, — это вещество, которое всегда с нами. Оно постоянно образуется в организме в результате метаболизма и выводится с мочой. Но этим роль мочевины в нашей жизни не ограничивается. Карбамид — отличное азотное удобрение, средство для борьбы с вредителями, кормовая добавка для крупного рогатого скота, компонент для производства карбамидоформальдегидных смол, меламина, пластмасс и клеев. Карбамид задействован в производстве хлебобулочных изделий и жевательной резинки в роли усилителя вкуса и аромата, в составе глазирующего вещества (пищевая добавка E927b). Есть у мочевины работа в медицине и косметологии.

Так что мочевины человечеству нужно много. Каждый год в мире производят больше 150 миллионов тонн карбамида. Более 60% мирового производства мочевины приходится на Египет, Индию, Индонезию, Китай, Россию и США. При этом Египет, Индонезия, Китай и Россия — ключевые поставщики карбамида на внешние рынки, а Индия и США возглавляют мировой рейтинг импортеров этого вещества.

Карбамид синтезируют из аммиака и углекислого газа по реакции А.И. Базарова. Процесс не простой, потому что требует высокой температуры и давления. А значит, и расход энергии велик.

Мочевина (карбамид)

И вот поразительная новость. Оказывается, природа умеет синтезировать мочевину без всех этих ухищрений — при комнатной температуре и давлении. Я сейчас говорю не о ферментативном процессе в нашем организме. Я говорю о неживой природе за окном.

Это открытие сделали исследователи из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе. Они обнаружили, что на поверхности небольшой капли воды, в которой растворен аммиак и которая находится в среде углекислого газа, безо всякого нагрева, давления и катализаторов самопроизвольно образуется карбамид.

Исследователи пишут в своей статье в Science, что «поверхностный слой действует как микроскопический проточный реактор с химическими градиентами, обеспечивающими доступ к нетрадиционным путям реакции. Перепад pH между внутренней и внешней частью капли воды обеспечивает достаточно кислые условия реакции, чтобы растворенный в воде аммиак мог вступать в реакцию с CO₂ из воздуха. В то же время существует градиент концентраций, который смещает химический баланс реакции в сторону мочевины».

Швейцарские химики экспериментировали с крошечными капельками воды диаметром несколько микрометров. В природе такие микрокапельки можно найти, например, в морских брызгах или тумане. Химики пишут, что мочевина образуется в каплях самопроизвольно, без внешнего источника энергии. Но, возможно, без энергии поверхности здесь не обошлось. У таких микрометровых капель отношение площади поверхности к объему велико, из-за чего физические свойства этих объектов изменяются. Например, у молекул, составляющих раствор, на поверхности капли меньше соседей, чем у молекул в толще жидкости. Это делает их более энергичными по сравнению с молекулами, находящимися вдали от поверхности. В маленькой капле с большой поверхностью таких молекул много…

Вообще, не случайно в науке выделилась отдельная дисциплина — химия поверхности, междисциплинарная область науки, предметом изучения которой служат состав, структура и свойства межфазной границы, а также протекающие на ней химические превращения. Потому что все самое интересное в природе происходит именно на поверхности, на границе раздела фаз. Случай с самопроизвольным синтезом мочевины — как раз именно об этом.