Скачать (149 Кб)

Философский камень - мочевина

Е. Д. Терлецкий
Химия и Жизнь №4, 1972 г., с. 31-34

В глубине аптеки раздался сильный взрыв.

А спустя несколько минут перед хозяином предстал злоумышленник - это был его ученик Юстус Либих. Результаты его последнего опыта оказались плачевны: аптекарю срочно пришлось заняться ремонтом, а ученик, вдохновленный напутствием хозяина катиться на все четыре стороны, отправился в поисках удачи во Францию. Там он стал учеником знаменитого Гей-Люссака, а позже одним из самых ярких и разносторонних химиков Европы.

В 1840 году Либих разработал теорию минерального питания растений. Особое место в ней было уделено соединениям азота. Спустя много лет другой виднейший агрохимик - Н. Д. Прянишников напишет: "Без азота нет белков, без белков нет протоплазмы, без протоплазмы нет жизни". И что бы ни предпринималось в нашем агрохимическом мире, какие бы новые тенденции ни возникали, это положение неоспоримо, потому что оно верно.

Навоз - самое первое из всех применяемых удобрений, это прежде всего азотное удобрение. Еще Либих доказал это. Он же первым из агрохимиков понял, что по мере роста урожаев и посевных площадей полям перестанет хватать азота и что нужно искать и получать новые азотистые соединения для нужд агрохимии. Он же установил, что жидкая часть навоза - моча содержит "весьма обильное соединение азота, состоящее в мочевине" и что мочевина может служить прекрасным азотным удобрением...

Передо мной материалы Всесоюзного научно-исследовательского института экономических исследований сельского хозяйства, посвященные новейшим тенденциям в удобрении плодовых и овощных культур у нас и за рубежом. Урожаи продолжают расти, следовательно, увеличивается вынос питательных веществ из почвы. Отсюда всеобщая тенденция употреблять более концентрированные удобрения. Похоже, что в развитых странах мочевина в ближайшее десятилетие станет самым важным азотным удобрением. Уже сейчас она теснит сульфат аммония, селитры. И это не удивительно: по количеству связанного азота 100 килограммов мочевины эквивалентны 300 килограммам селитры.

Формула мочевины СО(NН₂)₂. В этих кристаллах без цвета и запаха (в форме тонких игл или маленьких плоских призм) - 46,55% связанного азота. Это очень много. Важно и другое: мочевина в качестве удобрения пригодна на всех почвах и под все культуры. Это удобрение не только высококонцентрированное, но и легко усвояемое.

Диаграмма: доля мочевины (в процентах, в пересчете на азот) в мировом производстве азотных удобрений

За рубежом начато производство удобрения, которое назвали мочевиной замедленного действия. Чтобы не пропадала даже часть связанного азота, заключенного в мочевине, ее стали делать в виде гранул, покрытых снаружи расплавленной серой, а сверху еще и воском. Такое покрытие постепенно разрушается, и тогда удобрение начинает действовать. Регулируя соотношение мочевины, серы и воска, можно заранее определить время действия внесенной в почву такой мочевины и сделать это время достаточно долгим. Утверждают, что мочевина замедленного действия особенно эффективна на многолетних культурах...

Лучшее азотное удобрение - вот что такое сейчас мочевина (или, как ее теперь часто называют, карбамид).

Немецкий химик Юстус Либих первым увидел в мочевине превосходное азотное удобрение

Еще в 1773 году французский химик И. Руэль впервые исследовал выделенное из мочи "мыльное вещество". Природу этого вещества, его состав и свойства уточнили два других известных француза - Воклен и Фуркруа. Они же назвали это вещество мочевиной и совершенно справедливо отнесли его к разряду веществ органических.

В то время (первая четверть XIX века) классификация веществ на органические и неорганические имела иную основу, чем сейчас. Считалось, что органические вещества могут возникать только в живых организмах при помощи некоей жизненной силы, физическую природу которой установить нельзя. И если неорганические соединения можно при старании получить в любой лаборатории, то органические - "богом данные": - искусственно создать невозможно.

Этой точки зрения придерживался и великий шведский химик Йене Якоб Берцелиус, и надо же было случиться, что именно из его лаборатории учению о "жизненной силе" был нанесен сильнейший удар.

В 1824 году к Берцелиусу приехал поучиться немецкий ученый Фридрих Вёлер. Врач по образованию, он не был новичком в химии. Он открыл уже одно новое вещество - циановую кислоту HOCN - и как раз в то время всерьез занялся изучением ее солей. Исследуя реакцию цианата серебра с растворимыми аммонийными солями, он получил неожиданный результат: вещество, оставшееся в колбе после выпаривания растворов AgOCN и NH₄C1, обладало свойствами мочевины.

Немецкий химик. Фридрих Вёлер - автор первого в истории химии органического синтеза

Как и его учитель Берцелиус, Вёлер тогда еще верил в "жизненную силу", но не верить собственному опыту он тоже не мог. Возможно, у молодого химика было искушение тут же опровергнуть всеобщее заблуждение, но благоразумие взяло верх. Еще целых четыре года потратил он на контрольные опыты и лишь после этого решился обнародовать свои результаты. В это время он снова уже работал в Германии, но с Берцелиусом поддерживал постоянную переписку. На дерзкое письмо, полученное из Германии в 1828 году, Берцелиус не ответил, решив, видимо, что ученик пишет чушь. А тот писал: "Должен вам сказать, что я могу делать мочевину, не нуждаясь при этом в почках и вообще в животном, будь то человек или собака...".

Когда же синтез Вёлера был подтвержден другими химиками, Берцелиус возобновил переписку и... остался убежденным сторонником "жизненной силы" - дескать, мочевину, отброс организма, можно синтезировать без помощи извне, но вещества, действительно жизненно важные,- никогда. Подобного мнения придерживались и другие современники Вёлера, в том числе Либих. Спустя 12 лет после синтеза Вёлера он писал в своих знаменитых "Письмах о химии": "Теплота, свет, а главнее всего жизненная сила- суть причины, определяющие свойства органических веществ"...

Тем не менее синтез Вёлера имел огромное значение для химии и для философии. Впервые в истории была доказана возможность получения органических веществ из неорганических. Было положено начало современным воззрениям на природу органических веществ. От этого органического синтеза прослеживается путь к бутлеровской теории строения. А слова Вёлера о том, что органическая химия - это химия соединений углерода, теперь уже никто не считает дерзким каламбуром, как считали многие его современники. Он имел право так сказать.

Современная установка для синтеза мочевины из аммиака и углекислого газа

Строго говоря, реакцию Вёлера нельзя считать синтезом в полном смысле этого слова. Здесь происходит обычная изомеризация, то есть перестройка атомов внутри молекулы. (Кстати, явление изомеризации открыли одновременно два героя этих заметок - Вёлер и Либих, а их спор о приоритете урегулировал Берцелиус.) Образующийся в обменной реакции циановокислый аммоний превращается в мочевину при нагревании: [NєС-O]NH₄ ® [O=C=N]NH₄ ® O=C(NH₂). Сейчас для синтеза мочевины перегруппировкой Вёлера пользуются разве что в студенческих лабораториях. Промышленный же способ получения этого вещества основан на реакции, открытой русским химиком А. И. Базаровым. Точнее, на двух реакциях. В первой из них происходит взаимодействие аммиака и углекислого газа. Образуется карбамат аммония: 2NH₃ + CO₂ = H₂NCOONH₄. Вторая реакция - превращение карбамата аммония в мочевину: H₂NCOONH₄ ® H₂NCONH₂ + H₂O. В промышленных условиях обе реакции идут одновременно и непрерывно в специальных колоннах при температуре 160-200°С и давлении от 100 до 400 атмосфер. Интересно, что тепло, выделяющееся в первой реакции, как бы компенсирует затраты тепла, необходимые для того, чтобы вторая реакция прошла достаточно полно.

Структурная формула мочевины. Плоское строение ее молекул подтверждено рентгенографически

Диссертация, в которой А. И. Базаров описал синтез мочевины из аммиака и углекислого газа, была защищена в Лейпцигском университете. Синтез мочевины по Базарову и последовавшие за ним опыты физиологов и медиков положили конец многолетним философским спорам о роли мочевины в живом организме и месте ее образования.

Вёлер, как мы знаем из его письма Берцелиусу, считал, что мочевина образуется в почках из артериальной крови. Доказать это не удалось. Существовало мнение, что вообще бесполезно искать какой-то определенный орган, в котором идет синтез мочевины, - она образуется везде, по всему организму. В подтверждение этой точки зрения ссылались на то, что вещество состава CO(NH₂)₂ находили в слюне и в выделениях потовых желез, в крови и мышцах, в лимфе и даже в слезах. Немецкий врач Мейснер высказал в 1868 году мнение, что мочевина образуется в печени. Он много экспериментировал на собаках, но окончательно подтвердить свою догадку так и не сумел. Сделали это Иван Петрович Павлов и работавший вместе с ним польский профессор Марцелл Ненцкий. Они установили, что мочевина образуется в печени из тех самых веществ, из которых А. И. Базаров получил ее в стеклянной запаянной трубке, - из углекислого газа и аммиака.

Два биохимических продукта (один из них - аммиак - явно небезопасный, другой - СО₂, вредный при избытке) связываются ферментами в молекулу мочевины и удаляются из организма. Такова ее главная биологическая функция.

В наше время мочевине в организме животных иногда приходится выполнять и совсем иные функции. Коровам и другим жвачным животным мочевину дают в качестве подкормки. Микроорганизмы, обитающие в желудке животного, способны превращать ее в белок. По количеству образующего в организме белка килограмм мочевины эквивалентен 25 килограммам овса. Мочевинная подкормка у коров увеличивает удои, а у овец - настриг шерсти.

Некоторые производные этого вещества попадают и в человеческий организм. Наиболее распространенные снотворные - веронал, люминал, бромурал - это производные мочевины.

Как вещество, способное к многочисленным реакциям, мочевину широко используют в органическом синтезе. Например, известный стабилизатор бездымных порохов - централит - это не что иное, как симметричная диэтилдифенилмочевина. Используют ее и во многих других синтезах. Большое распространение получили мочевино-формальдегидные пластики.

Все это говорит о том, что слова, вынесенные в заголовок этих заметок, не такая уж большая натяжка. Как известно, среди прочих методов получения философского камня было и выпаривание мочи... Разумеется, с помощью мочевины обычные металлы в золото не превратить, но зато она помогает получить вещества, технически не менее важные, чем желтый металл. И потом, вряд ли найдется другое вещество, синтез и изучение которого так же сильно повлияли на некоторые философские концепции... Хуже со словом "камень". Если кристаллики мочевины слеживаются в камень, это плохо.