ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАРБАМИДА

АННОТАЦИЯ

Эта статья представляет собой обзор исследования физико-химических характеристик карбамида (мочевины). Карбамид широко используется в медицине, косметологии, сельском хозяйстве и промышленности. В статье рассматриваются химические и физические свойства карбамида, его роль и применение в различных отраслях, также приводятся результаты исследований карбамида спектроскопией, рентгеновской дифракцией и хроматографией. Особое внимание уделяется методам исследования этих свойств, включая лабораторные и инструментальные методы. Понимание свойств карбамида имеет важное значение для развития новых технологий и продуктов в различных областях применения.

ABSTRACT

This article is a review of the study of the physic-chemical characteristics of carbamide (urea). Carbamide is widely used in medicine, cosmetology, agriculture and industry. The article discusses the chemical and physical properties of urea, its role and application in various industries, as well as the results of studies of urea by spectroscopy, X-ray diffraction and chromatography. Special attention is paid to the methods of studying these properties, including laboratory and instrumental methods. Understanding the properties of urea is essential for the development of new technologies and products in various fields of application.

Ключевые слова: карбамид, мочевина, физико-химические свойства, медицина, косметология, сельское хозяйство, промышленность, методы исследования.

Keywords: urea, carbamide, physic-chemical properties, medicine, cosmetology, agriculture, industry, research methods.

Введение

Изучение физико-химических свойств карбамида является актуальной задачей в области медицины, косметологии, сельского хозяйства и промышленности. Понимание этих свойств необходимо для оптимизации его использования в медицинских процедурах, улучшения качества косметической продукции, увеличения урожайности в сельском хозяйстве и оптимизации процессов промышленного производства. Такие исследования могут привести к разработке новых технологий и продуктов, которые способствуют улучшению жизни и экономическому развитию [1].

Карбамид, также известный как мочевина, является одним из наиболее широко используемых удобрений в сельском хозяйстве. Однако его применение также распространено в медицине, косметике и промышленности. Изучение физико-химических свойств карбамида является важной задачей для оптимизации его применения и повышения эффективности его использования.

Карбамид представляет собой белый кристаллический порошок, легко растворимый в воде. Он обладает хорошей растворимостью и химической стабильностью, что делает его удобным для использования в различных отраслях промышленности. Карбамид также обладает высоким содержанием азота, что делает его ценным источником питательных веществ для растений.

Одним из ключевых физико-химических свойств карбамида является его способность к образованию водородных связей. Это делает его эффективным удобрением, способствующим улучшению почвенной структуры и увеличению урожайности. Кроме того, карбамид может использоваться в качестве источника азота для синтеза аминокислот, белков и других биологически активных веществ.

Важным аспектом исследования физико-химических свойств карбамида является также изучение его взаимодействия с другими веществами и системами. Например, исследования показывают, что карбамид может образовывать комплексы с металлическими ионофорами, что может повысить его эффективность как удобрения или катализатора в различных процессах.

Таким образом, исследование физико-химических свойств карбамида играет важную роль в оптимизации его применения в различных отраслях. Благодаря пониманию особенностей этого вещества можно разработать новые методы его применения, улучшить имеющиеся технологии и повысить эффективность его использования в различных сферах деятельности [2].

Качество минеральных удобрений, производимых в Республике Узбекистан, а также на всех других аналогичных предприятиях России и стран СНГ регламентируется соответствующей нормативной документацией – ГОСТ, ТУ. и др. Основными показателями, регламентируемыми этими документами, являются содержание основных компонентов (для удобрений – главных питательных элементов, микроэлементов и ряда примесей, для техни-ческих продуктов – содержание основных компонентов), а также физические свойства продукта (гранулометрический состав, статическая прочность, рассыпчатость). Однако эти показатели не в полной мере отражают реальную агрохимическую ценность удобрений, поскольку важнейшим фактором, во многом определяющим их эффективность, является не просто общее содержание питательных элементов, а в какой форме и в виде каких соединений они присутствуют. В частности, известны три формы содержания азота – аммиачная, нитратная и амидная, которые отличаются по скорости усвоения азота, эффективности действия. Наличие в удобрениях ряда двойных солей и аддуктов, характеризующихся пониженной растворимостью приводит к значительному снижению потерь питательных элементов за счето осадков и вымывания и повышает степень их усвоения растениями, снижает негативное экологическое воздействие. Особенности, применяемых на различных предприятиях технолоий приводят к тому, что даже идентичные по содержанию питательных элементов удобрения значительно различаются по их эффективности и агрохимическому действию [3].

Качество химической продукции, производимой на АО "Maxam-Chirchiq" и на всех других предприятиях отрасли в странах СНГ, регулируется соответствующей нормативной документацией – ГОСТами, техническими условиями и т.д. Основными показателями, регламентируемыми этими документами, являются содержание основных компонентов (для удобрений – питательных веществ, для технических продуктов – содержание основного компонента), а также физические свойства продукта.

Согласно требованиям, действующим на территории стран ЕС для того, чтобы продукция могла поступить на рынок ЕС, эти продукты (субстанции) проходят процедуру предварительной регистрации в соответствии с регламентом REACH.

Принципиальным отличием требований регламента REACH от требований действующих нормативных документов является необходимость указания всех идентификационных показателей веществ, включая химический состав (включая примеси и добавки), молекулярную и структурную формулу однокомпонентных и многокомпонентных веществ, название ЕС и другие идентификаторы веществ (для вещества с переменным составом) [3].

Данная работа была проведена на основании соглашения, заключенного между предприятием и учреждением образования "Белорусский государственный технологический университет" на выполнение научно-исследовательской работы "Проведение исследований по определению состава и структуры химических веществ, подлежащих регистрации в составе продукции АО " Maxam-Chirchiq" в соответствии с Регламентом Европейского союза". Постановление Парламента и Совета (ЕС) № 1907/2006 от 18 декабря 2006 года о регистрации, оценке, разрешении и ограничении использования химических веществ (REACH)."

Исходные вещества

В качестве объектов исследования использовали следующую химическую продукцию АО «Maxam Chirchiq»:

• карбамид – ГОСТ 2081-92
• раствор карбамида и нитрата аммония (КАС)

Методы исследования и оборудование

Исследования проводились с использованием следующих методов и оборудования:

• ИК-спектроскопия (IR) – ИК-Фурье спектрометр Nexus^TM ESP 670 (Thermo Nicolet, США).
• ЯМР – спектроскопия (NMR) – ЯМР-Фурье спектрометр Bruker Avance 400 (Bruker, Германия).
• Рентгеновская дифракция (XRD) – рентгеновский дифрактометр Bruker D8 Advance (Bruker AXS, Германия).
• Высокоэффективная жидкостная хромато-масс-спектрометрия (HPLC-MS) – высокоэффективный хромато-масс-спектрометр Waters c диодно-матричным спектрофотометрическим детектором PDA 996 и масс-детектором ZQ 2000 (Waters, США).
• Газовая хроматография (GC) – газовый хроматограф HP 4890 D c пламенно-ионизационным детектором (Hewlett Packard, США).
• Газовая хромато-масс-спектрометрия (GC-MS) – газовый хромато-масс-спектрометр Agilent Technologies 6850 с масс-селективным детектором Agilent Technologies 5973 (Agilent Technologies, США).

Исследования физико-химических свойств карбамида

Мочевина (карбамид) – тривиальное название карбамида (диамида угольной кислоты). Мочевина хорошо растворима в полярных растворителях (вода, жидкие аммиак и сернистый ангидрид), при снижении полярности растворителя растворимость падает, нерастворима в неполярных растворителях (алканы, хлороформ).

Исследование карбамида методом ИК-спектроскопии (IR)

ИК-спектроскопия

Инфракрасная спектроскопия по своим возможностям является наиболее универсальным из всех инструментальных методов и используется для различных видов аналитических определений, в то время как образцы для исследования могут быть жидкими, твердыми и газообразными, количество вещества для исследования составляет всего несколько миллиграммов. ИК-спектры поглощения отражают особенности структуры вещества, являясь своего рода картой отпечатков пальцев, поэтому их можно использовать не только для оценки индивидуальности и идентификации отдельных химических соединений в смесях, но и для характеристики структурных особенностей соединения [10].

Исследование карбамида методом рентгеновской дифракции (XRD)

Большинство анализируемых образцов представляют собой смеси. Даже при использовании эффективных методов пробоподготовки смесь все равно необходимо анализировать для выделения интересующих соединений. Важность газовой и жидкостной хроматографии объясняется их способностью разделять компоненты смеси.

Комбинация газовой и жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией обеспечивает метод, с помощью которого все компоненты сложной многокомпонентной смеси могут быть разделены и идентифицированы, даже если их содержание в образце составляет около 10-12 г.

Рисунок 1. ИК-спектр карбамида

Исследование карбамида методом высокоэффективной жидкостной хромато-масс-спектрометрии (HPLC-MS)

Для исследования карбамида методом HPLC-MS высокоэффективной хромато-масс-спектрометр Waters c диодно-матричным спектрофото-метрическим детектором PDA 996 и масс-детектором «Micromass ZQ 2000» (Waters, США). Колонка “HYPERSIL C18” длиной 250 мм и диаметром 4,6 мм, размер частиц 5 мкм. В качестве подвижной фазы использовали этанол: ацетонитрил: вода – 15:10:75 при скорости элюирования 0,7 мл/мин. Объем вводимой пробы 20 мкл.

Приготовление пробы – 10 мг карбамида растворяли в 1 мл метанола.

Тип ионизации – электроспрей ионизация (ESI).

Параметры ионизации:

Напряжение на капилляре (Capillary voltage) – 3.0 кВ

Напряжение на конусе (Cone voltage) – 40 В

Напряжение на экстракторе (Extractor voltage) – 5 В

Температура источника (Source temperature) – 130ºC

Температура испарения (Desolvation temperature) – 350ºC

Расход газа-испарителя (азот):

• на испарителе (Desolvation) – 400 л/ч
• на конусе (Cone) – 150 л/ч.

Рисунок 2. Рентгенограмма карбамида

Запись масс-спектров производили в режиме регистрации положительных (ESI⁺) и отрицательных ионов (ESI^-). Масс-спектры капролактама кристаллического приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Хроматограмма карбамида

Раствор карбамида и нитрата аммония (КАС) кристаллический

КАС исследовали методом ИК-спектроскопии (IR).

ИК-спектр регистрировали с использованием ИК-Фурье спектрометра FT-IR NEXUS 670 (Thermo Nicolet, США) в области 300–4000 см^-1 с применением приставки многократного полного внутреннего отражения Multi Bounce HATR c кристаллом ZnSe [6].

В ИК-спектре исследованного образца КАС присутствуют полосы поглощения, имеющиеся в ИК-спектрах карбамида и нитрата аммония.

Кислота азотная неконцентрированная

Массовую долю азотной кислоты определяли методом объемного титрования по ГОСТ 11125-84.

По результатам титрования установлено, что массовая доля азотной кислоты составляет 59,0±0,4%.

Кислота серная концентрированная

Массовую долю серной кислоты определяли методом объемного титрования по ГОСТ 667-73.

По результатам титрования установлено, что массовая доля серной кислоты составляет 92,8±0,5%.

Рисунок 4. ИК-спектр раствора карбамида и нитрата аммония кристаллического

Научная новизна

В результате выполнения проекта будут получены новые научные данные о фактическом фазовом и минералогическом составе минеральных удобрений, производимых в Республике Узбекистан, а также о физико-химических превращениях, имеющих место в технологическом процессе.

Практическая значимость для Республики Узбекистан

Полученные данные позволят более комплексно оценить качество удобрений, их агрохимическую эффективность и их конкурентоспособность на внутреннем и внешних рынках. Разработанный макет базы данных явится основой создания в дальнейшем банка данных производимых удобрений, который будет востребован сельхозпроизводителями и позволит более точно и комплексно спрогнозировать потребности и стратегию развития отрасли/

Заключение

Благодаря изучению влияния физико-химических свойств карбамида на его взаимодействие с растениями и почвой, ученые могут разработать более точные методы его применения в сельском хозяйстве. Это позволит улучшить урожайность и качество сельскохозяйственной продукции, а также снизить негативное воздействие удобрений на окружающую среду.

Дополнительные исследования физико-химических свойств карбамида также могут привести к разработке новых продуктов и технологий на основе этого вещества. Например, возможно использование карбамида в качестве компонента для создания новых материалов или лекарственных препаратов. Таким образом, дальнейшие исследования в этой области имеют потенциал принести значительные инновации и улучшения в различных отраслях науки и промышленности.

Проведены исследования по определению состава и структуры химических веществ, подлежащих регистрации в составе продукции АО «Maxam Chirchiq» в соответствии с Регламентом европейского парламента и совета (ЕС) № 1907/2006 от 18 декабря 2006 года, касающимся регистрации, оценки, разрешения и ограничения химических веществ (REACH)».

В соответствии с техническим заданием были исследованы:

• карбамид методами ИК-спектроскопии, высокоэффективной жидкостной хроматографии и рентгеновской дифракции;
• раствор карбамида и нитрата аммония (КАС) методом ИК-спектроскопии;

В результате проведенных исследований была подтверждена структура и состав химических веществ, подлежащих регистрации в составе продукции АО «Maxam Chirchiq».

Список литературы:

1. Свойства и методы идентификации веществ в неорганической технологии / И.М. Жарский [и др.]. – Минск, 1996. – 372 с.
2. Хроматографические и спектральные методы анализа / И.И. Глоба, С.А. Ламоткин. – Минск: БГТУ, 2008. – 352 с.
3.  Эрнст, Р. ЯМР в одном и двух измерениях / Р. Эрнст, Дж.Боденхаузен, А. Вокаун; пер. с англ.; под ред. К.М. Салихова. – М.: Мир, 1990. – 709 с.
4. Гюнтер, Х. Введение в курс спектроскопии ЯМР / Х.Гюнтер; пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 478 с.
5. Чижик, В.И. Квантовая радиофизика: магнитный резонанс и его приложения / В.И. Чижик. – 2-ое изд. перераб. – СПб.: С.-Петерб. ун-та, 2009. – 700 с.
6. Александров, М.Л. Экстракция ионов из растворов при атмосферном давлении – новый метод масс-спектрометрического анализа / М.Л. Александров [и др.] // Доклады Академии наук СССР. – Москва, 1984. – Т. 277. – № 2. – С. 379-383.
7. Henderson, M.A. Ionic liquids enable electrospray ionisation mass spectrometry in hexane // M.A. Henderson, J.S. McIndoe. – Chem. Commun. – 2019. – P. 2872-2874.
8. Henderson, W. Mass Spectrometry of Inorganic and Organometallic Compounds // W. Henderson, J. S. McIndoe. – Wiley. – Chem. Commun. – 2020. – P. 2872-2874 NIST Standard Reference Database // NIST Chemistry WebBook [Электронный ресурс]. – 2020. – [Режим доступа]: http://webbook.nist.gov/chemistry. –Дата доступа: 20.05.2024.
9.  ChemExper Chemical Directory // ChemExper – catalog of chemicals suppliers, physical characteristics and search engine [Электронный ресурс]. – 2014 – [Режим доступа]: www.chemexper.com. – Дата доступа: 20.05.2024.
10. Crystallographic Рroperties of Fertilizer Compounds / J. R. Lehr, E. H. Brown, A. W. Frazier a. o. //  Chem. Eng. Bull. – 2018. – № 6.