Urea: Propiedades y Usos

La urea es un compuesto químico cristalino e incoloro. Entre sus principales características, se puede destacar que:

  • Es fácil de granular y se transporta fácilmente a granel o en bolsas, sin riesgo de explosión.
  • Se disuelve fácilmente en agua y no deja residuos salinos tras su uso.
  • Posee el máximo contenido de nitrógeno disponible en un fertilizante sólido.
  • También puede usarse como complemento proteínico en alimentos para rumiantes, en la producción de melamina o de resinas.

Características del Proceso de Síntesis de Urea

A nivel industrial, la urea se sintetiza a partir de amoníaco (NH3) líquido y dióxido de carbono (CO2). El proceso se caracteriza por llevarse a cabo en dos etapas:

  • En la primera etapa, los reactivos mencionados forman un producto intermedio, el carbamato de amonio.
  • En una segunda etapa, el carbamato se deshidrata para formar la urea.

Es importante considerar que:

  • La urea, en contacto prolongado con la piel u otras mucosas, produce resequedad y resquebrajamiento del tejido cutáneo; ingerida, ocasiona trastornos estomacales.
  • La urea es un producto altamente higroscópico; al contacto con el agua, se hidroliza con desprendimiento de amoníaco y dióxido de carbono.
  • La urea es soluble en agua y en alcohol, y ligeramente soluble en éter.

Propiedades Físicas y Químicas de la Urea

Propiedades Físicas

  • Peso Molecular: 60.06 g/mol.
  • Contenido de nitrógeno: 46-46.6%.
  • Punto de fusión: 133 °C.
  • Densidad: 768 kg/m³.

Propiedades Químicas

  • Tiene la capacidad de absorber el agua de la atmósfera.
  • Esto se debe a que la urea granulada es un producto higroscópico, es decir, que absorbe la humedad del aire para establecer un equilibrio con el medio ambiente circundante. Esta es una característica de su estructura cristalina; la retención es reversible y el agua puede ser desorbida.
  • No es inflamable.
  • No es tóxica.

Reacciones Químicas de la Urea

Formación de Carbamato de Amonio

  • 2NH3 (g) + CO2 (g) → NH2 - COONH4 (l)

Descomposición del Carbamato de Amonio

  • NH2 - COONH4 (l) → 2NH3 (g) + CO2 (g)

Síntesis de Urea

  • NH2 - COONH4 (l) → NH2 - CO - NH2 (l) + H2O (l)

Formación de Biuret

  • 2 NH2 - CO - NH2 → NH2 - CO - NH - CO - NH2 + NH3

Proceso de Síntesis Industrial de Urea

La reacción de síntesis para la producción de urea consiste en combinar amoníaco con CO2 a presión para formar carbamato de amonio, que se descompone en urea y agua.

  • El CO2 sin reaccionar se recircula.
  • Existen diversos procesos para la producción de urea.
  • Las diferencias se basan principalmente en los métodos empleados para manejar el efluente del convertidor, en la forma de descomponer el carbamato, y en cómo recuperar la urea o el CO2, entre otros aspectos.

Principales Procesos Industriales para la Producción de Urea

Proceso Stamicarbon

  • Utiliza el CO2 para recuperar el NH3 del efluente del reactor de forma continua. El carbamato se descompone a medida que el NH3 es extraído por el CO2.
  • La reacción se produce a unos 140 bar aproximadamente.
  • Los gases separados avanzan hacia el reactor junto con el NH3.
  • La mayor parte del gas de salida del reactor se condensa, y los gases inertes son purgados del sistema antes de regresar el condensado al reactor.

Proceso Thermo-Urea

  • Se usan compresores centrífugos que recirculan el CO2, el NH3 y el vapor de agua al reactor.
  • El efluente líquido en la primera unidad de descomposición entra a la segunda unidad de descomposición de baja presión. En ella se separan las últimas trazas de CO2, NH3 y gases inertes.
  • El amoníaco y el CO2 se absorben en agua para ser recirculados al compresor. El gas inerte se extrae por la parte superior del absorbedor.
  • La urea en solución acuosa se extrae de la última unidad de descomposición a baja presión.

A continuación se muestra el diagrama de flujo de dicho proceso:

Acabado y Formulación Final de la Urea

La solución acuosa de urea obtenida debe procesarse para obtener el producto final. Para obtener la forma granulada, se extrae el agua de la solución. Para ello, se deja caer la urea a través de rociadores en una torre de prilling con aire en contracorriente. Los glóbulos de urea solidifican antes de caer al fondo, se enfrían posteriormente y se embolsan.

La tendencia de la urea a aglomerarse dificulta su manejo. Para evitar esta desventaja, se suelen utilizar diversas técnicas, como las siguientes:

  • Se puede recubrir con azúcar.
  • Mezclado con aditivos, como sulfato de amonio o carbonato de amonio.
  • Tratamiento térmico: Los glóbulos se pasan por temperaturas superiores al punto de fusión de la urea.

Importancia de los Fertilizantes en la Agricultura Moderna

Con las previsiones de aumento de la población mundial para las próximas décadas, los agricultores no solo deberán preocuparse por aumentar la producción de cultivos, sino que también deberán hacerlo en un contexto de deficiencia de nutrientes en el suelo, preocupaciones ambientales sobre el uso excesivo de fertilizantes y la disponibilidad limitada de las fuentes de fósforo, nitrógeno y potasio.

Los fertilizantes nitrogenados más comúnmente aplicados son la urea y el nitrato de amonio, pero entre el 30% y el 50% del nitrógeno aplicado al suelo se pierde en el aire y el agua. Además de ser un desperdicio, esto conlleva consecuencias ambientales no deseadas. Por otro lado, los cultivos necesitan nutrientes diferentes del nitrógeno. Los macronutrientes primarios son nitrógeno (N), fósforo (P) y potasio (K); otros, derivados de carbono, oxígeno e hidrógeno, se suministran de forma natural. Los cultivos también necesitan macronutrientes secundarios, tales como calcio y magnesio, además de toda una serie de micronutrientes, y una deficiencia de cualquiera de ellos tendrá un impacto adverso sobre el crecimiento de una planta.

Hay otro nutriente cuyo papel está infravalorado con frecuencia: el azufre. Es importante para el equilibrio del pH en el suelo, actúa como pesticida y fungicida, y complementa activamente la eficacia del nitrógeno. La presencia de este elemento es esencial para el crecimiento saludable de los cultivos de arroz, trigo y maíz, soja, colza y aceite de palma. Sin embargo, al no ser soluble en agua y no oxidarse fácilmente, no puede ser simplemente esparcido en el suelo en forma de pastillas o trozos. Por ello, se mezcla con otros productos, el más importante de los cuales es la bentonita, una arcilla que se expande al contacto con el agua.

En la actualidad, se acepta que los fertilizantes multinutrientes tienen el potencial de ofrecer una serie de beneficios importantes, no solo a los agricultores sino también para el medio ambiente en su conjunto.

Nitrato de Amonio: Propiedades y Aplicaciones

El nitrato de amonio o nitrato amónico es una sal formada por iones nitrato y amonio. Su fórmula es NH4NO3. Se trata de un compuesto incoloro e higroscópico, altamente soluble en agua. El nitrato de amonio es un producto no inflamable, por lo que un incendio a partir de este es altamente improbable. Bajo circunstancias de calor extremo (por ejemplo, un soplete), tenderá a descomponerse térmicamente.

Síntesis del Nitrato de Amonio

  • El nitrato de amonio se obtiene por neutralización de ácido nítrico con hidróxido de amonio tras la evaporación del agua: NH4OH + HNO3 → NH4NO3 + H2O
  • En el laboratorio, se puede obtener por doble descomposición entre sulfato de amonio (NH4)2SO4 y nitrato de estroncio (Sr(NO3)2), en disolución. Tras precipitar el sulfato de estroncio y filtrar la disolución, que luego se evapora, se obtiene el nitrato de amonio en cristales o polvo blanco. (NH4)2SO4(aq) + Sr(NO3)2(aq) → 2NH4NO3(aq) + SrSO4(s)

Aplicaciones del Nitrato de Amonio

  • El nitrato de amonio se utiliza sobre todo como fertilizante por su buen contenido en nitrógeno. El nitrato es aprovechado directamente por las plantas, mientras que el amonio es oxidado por los microorganismos presentes en el suelo a nitrito (por Nitrosomonas) o nitrato (por Nitrobacter) y sirve de abono de más larga duración.
  • Una parte de la producción se dedica a la obtención de óxido nitroso (N2O) mediante la termólisis controlada: NH4NO3 → 2H2O + N2O Esta reacción es exotérmica y puede ser explosiva si se lleva a cabo en un contenedor cerrado o calentando demasiado rápido.

En el año 2000, EFMA (European Fertilizer Manufacturers Association) publicó un compendio de ocho volúmenes que presentaban los “Mejores procedimientos industriales disponibles para la prevención de la producción y el control en la industria de fertilizantes europea”, en respuesta a las normativas europeas y españolas.

En la actualidad, existen en Europa, según EFMA, en torno a diez métodos diferentes para la producción industrial del nitrato de amonio en sus diferentes concentraciones. No existe un único procedimiento que pueda considerarse el más ventajoso respecto al resto, debido fundamentalmente a dos razones:

  • Las consideraciones comerciales influirán en la elección de un proceso u otro.
  • Se puede obtener el mismo producto, con características similares, mediante la utilización de métodos distintos.

Por ello, se incidirá en primer lugar de manera general sobre cada uno de los pasos del proceso, estableciendo a continuación las mejores soluciones existentes para resolver los problemas planteados.

Otros Usos del Nitrato de Amonio

Uso Industrial

El nitrato de amonio se utiliza para la modificación de zeolitas. En el intercambio de iones, las zeolitas de UZM tienen sus iones de sodio intercambiados con el protón del NH4+ en nitrato de amonio. Esto forma zeolitas catalizadoras, las cuales tienen muchas aplicaciones en varios campos, incluida la refinación de petróleo.

Uso como Fertilizante

Como se mencionó, esta sal altamente soluble en agua es una fuente preferida de nitrógeno en fertilizantes. La mayor parte del nitrato de amonio producido se destina, por lo tanto, a la fabricación de fertilizantes. Sin embargo, el exceso de nitrato de amonio liberado es una fuente principal de contaminación ambiental. Durante periodos de conflicto, el fertilizante de nitrato de amonio fue ilegal en Irlanda del Norte debido a su uso como oxidante en explosivos por parte del IRA.