1定義

將空氣中遊離態的氮轉化為含氮化合物的過程叫氮的固定。

2簡介

雖然大氣含有約 78% 的氮氣分子,地球上的動植物仍須花費一番工夫,方可取得成長所需的氮素。主要原因在於氮氣分子十分安定,大多數生物體沒辦法直接利用。生物體在消化吸收氮素前,須用各種方法使氮成為含氮的化合物,如存在於自然界氮循環(nitrogen cycle)中的氨、銨離子、亞硝酸根、硝酸根等。生物體吸收這些氮化合物后,再合成生存、成長與繁衍所需的其它含氮化合物,如氨基酸、蛋白質和核酸。 自然界固定氮的主要途徑有兩種。其一為閃電:閃電以其巨大的能量,把在大氣中的氮分子解離,並繼續與氧分子反應產生氮的氧化物,這些氧化物會溶於雨水,生成亞硝酸根及硝酸根而滲入土壤中。雖然世界上到處常有閃電,但是閃電固氮卻不是一個產生含氮化合物有效的方法;每年經由閃電固氮所得的含氮化合物,頂多只佔總量的10%。其二是固氮細菌:這是固定氮的最重要途徑,須藉助於或獨自存在於土壤中,或與動植物共生,擁有固氮酵素的某些固氮細菌,如與豆類植物共生的根瘤菌。它們能吸收大氣中的氮氣分子,將其轉變成氨及銨離子。每年經由細菌固定氮所得的含氮化合物,約佔總量的 65%。 其餘 25% 的固定氮,來自於工業途徑
e.g. 目前工業上最常用的哈柏法(Haber-Bosch process);在高溫(約攝氏 400 度)高壓(約 250 大氣壓)下,用精研的鐵粉當催化劑,促使氮與氫產生反應生成氨。工業固氮是將所得的氨,再進一步製成氮肥,如硝酸銨與磷酸銨,然而此法成效不佳(產率僅約 20%)且極耗能源。

3方法

人工固氮
20世紀初曾模擬閃電、電弧法生產硝酸,製造氮肥。這樣固氮耗電量大、成本高,因此被淘汰。這是早期的人工固氮。
現在,世界上好多國家(包括中國)的科學家,都在研究模擬生物固氮,即尋找人工製造的有固氮活性的化合物。固氮酶由兩種蛋白質組成。一種蛋白質(二氮酶)的分子量約22萬,含有兩個鉬原子、32個鐵原子和32個活性硫原子;另一種蛋白質(二氮還原酶)是由兩個分子量為29000的相同亞基構成的,每個亞基含有4個鐵原子和4個硫原子。已經發現一些金屬有機化合物有可能作為可溶性的固氮催化劑。
由於N2中的N≡N鍵很牢固,使氮分子的結構很穩定,通常情況下,氮氣的化學性質不活潑。

4工業應用

合成氨適宜條件的選擇
催化劑:雖不能改變化學平衡,但可以加快反應速率,提高單位時間內的產量。
溫度:升高溫度可加快反應速率,但從平衡移動考慮,此反應溫度不宜太高。使催化劑的活性最大也是選擇溫度的另一個重要因素。
壓強:增大壓強既可以加快反應速率又可以使化學平衡向正反應方向移動。但生產設備能不能承受那麼大的壓強,產生壓強所需的動力、能源 又是限制壓強的因素。
濃度:在生產過程中,不斷補充N2和H2,及時分離出NH3,不但可以加快反應速率,還能使平衡右移,提高NH3的產量。 d。合成氨的適宜條件
壓強:20~50MPa
溫度:500℃左右(此時催化劑的活性最大)
催化器:鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)
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