氮的固定

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。

科學家發現，有些豆科植物從來不需要施肥，而結出的大豆蛋白質的含量高，原來豆科植物的根上長著很多的根瘤，每一個根瘤都是一個氮肥廠。同時人們發現，在土壤中有許多根瘤菌，平時這些根瘤菌靠一些腐爛的植物生活。當土壤中種植豆科植物時，根瘤菌便順著豆科植物的根毛尖端，鑽進豆科植物的皮層中，並在皮層中大量繁殖，皮層細胞受到根瘤菌分泌物的刺激，也迅速分裂，把根瘤菌包圍在中央，形成一個個小根瘤。這時豆科植物供給根瘤礦物質元素、水、有機物營養物質，而根瘤菌則利用細胞內固氮酶將空氣中遊離態的氮還原成NH4+態氮肥供豆科植物利用。豆科植物中寄生有根瘤菌，它含有固氮酶，能使空氣里的氮氣轉化為氮的化合物。固氮酶的作用可以簡述如下：除豆科植物的根瘤菌外，還有牧草和其他禾科作物根部的固氮螺旋桿菌、一些原核低等植物——固氮藍藻、自生固氮菌體內都含有固氮酶，這些酶有固氮作用。這一類屬自然固氮的生物固氮。

閃電能使空氣里的氮氣轉化為一氧化氮，一次閃電能生成80～1500kg的一氧化氮。這也是一種自然固氮。自然固氮遠遠滿足不了農業生產的需求。

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（包括我國）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。

化學固氮（合成氨）

反應原理：

N2+3H2==（可逆，高溫高壓催化劑）2NH3（正反應為放熱反應），這是一個氣體總體積縮小的、放熱的可逆反應。原料氣的製取：

N2：將空氣液化、蒸發分離出N2或者將空氣中的O2與碳作用生成CO2，然後除去CO2，得到N2。

H2：用水和燃料（煤、焦碳、石油、天然氣等）在高溫下製取。用煤和水製取H2的主要反應為

C+H2O（g）=△=CO+H2；CO+H2O（g）=△催化劑=CO2+H2O

製得的N2、H2需凈化、除雜質。在用高壓機縮壓至高壓。

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）