定义

简介

方法(1.自然固氮 2.人工固氮)

工业应用(化学固氮（合成氨） 合成氨适宜条件的选择：)

定义

将空气中游离态的氮转化为含氮化合物的过程叫氮的固定。

简介

虽然大气含有约 78% 的氮气分子，地球上的动植物仍须花费一番工夫，方可取得成长所需的氮素。主要原因在于氮气分子十分安定，大多数生物体没办法直接利用。生物体在消化吸收氮素前，须用各种方法使氮成为含氮的化合物，如存在于自然界氮循环（nitrogen cycle）中的氨、铵离子、亚硝酸根、硝酸根等。生物体吸收这些氮化合物后，再合成生存、成长与繁衍所需的其它含氮化合物，如氨基酸、蛋白质和核酸。 自然界固定氮的主要途径有两种。其一为闪电：闪电以其巨大的能量，把在大气中的氮分子解离，并继续与氧分子反应产生氮的氧化物，这些氧化物会溶于雨水，生成亚硝酸根及硝酸根而渗入土壤中。虽然世界上到处常有闪电，但是闪电固氮却不是一个产生含氮化合物有效的方法；每年经由闪电固氮所得的含氮化合物，顶多只占总量的10%。其二是固氮细菌：这是固定氮的最重要途径，须借助于或独自存在于土壤中，或与动植物共生，拥有固氮酵素的某些固氮细菌，如与豆类植物共生的根瘤菌。它们能吸收大气中的氮气分子，将其转变成氨及铵离子。每年经由细菌固定氮所得的含氮化合物，约占总量的 65%。 其余 25% 的固定氮，来自于工业途径的哈柏法（Haber-Bosch process）；在高温（约摄氏 400 度）高压（约 250 大气压）下，用精研的铁粉当催化剂，促使氮与氢产生反应生成氨。工业固氮是将所得的氨，再进一步制成氮肥，如硝酸铵与磷酸铵，然而此法成效不佳（产率仅约 20%）且极耗能源。

方法

1.自然固氮

科学家发现，有些豆科植物从来不需要施肥，而结出的大豆蛋白质的含量高，原来豆科植物的根上长着很多的根瘤，每一个根瘤都是一个氮肥厂。同时人们发现，在土壤中有许多根瘤菌，平时这些根瘤菌靠一些腐烂的植物生活。当土壤中种植豆科植物时，根瘤菌便顺着豆科植物的根毛尖端，钻进豆科植物的皮层中，并在皮层中大量繁殖，皮层细胞受到根瘤菌分泌物的刺激，也迅速分裂，把根瘤菌包围在中央，形成一个个小根瘤。这时豆科植物供给根瘤矿物质元素、水、有机物营养物质，而根瘤菌则利用细胞内固氮酶将空气中游离态的氮还原成NH4+态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，能使空气里的氮气转化为氮的化合物。固氮酶的作用可以简述如下：除豆科植物的根瘤菌外，还有牧草和其他禾科作物根部的固氮螺旋杆菌、一些原核低等植物——固氮蓝藻、自生固氮菌体内都含有固氮酶，这些酶有固氮作用。这一类属自然固氮的生物固氮。

闪电能使空气里的氮气转化为一氧化氮，一次闪电能生成80～1500kg的一氧化氮。这也是一种自然固氮。自然固氮远远满足不了农业生产的需求。

2.人工固氮

20世纪初曾模拟闪电、电弧法生产硝酸，制造氮肥。这样固氮耗电量大、成本高，因此被淘汰。这是早期的人工固氮。

现在，世界上好多国家（包括我国）的科学家，都在研究模拟生物固氮，即寻找人工制造的有固氮活性的化合物。固氮酶由两种蛋白质组成。一种蛋白质（二氮酶）的分子量约22万，含有两个钼原子、32个铁原子和32个活性硫原子；另一种蛋白质（二氮还原酶）是由两个分子量为29000的相同亚基构成的，每个亚基含有4个铁原子和4个硫原子。已经发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮催化剂。

由于N2中的N≡N键很牢固，使氮分子的结构很稳定，通常情况下，氮气的化学性质不活泼。

工业应用

化学固氮（合成氨）

反应原理：

N2+3H2==2NH3（正反应为放热反应），这是一个气体总体积缩小的、放热的可逆反应。 原料气的制取：

N2：将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，然后除去CO2，得到N2。

H2：用水和燃料（煤、焦碳、石油、天然气等）在高温下制取。用煤和水制取H2的主要反应为

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

制得的N2、H2需净化、除杂质。在用高压机缩压至高压。

合成氨适宜条件的选择：

催化剂：虽不能改变化学平衡，但可以加快反应速率，提高单位时间内的产量。

温度：升高温度可加快反应速率，但从平衡移动考虑，此反应温度不宜太高。使催化剂的活性最大也是选择温度的另一个重要因素。

压强：增大压强既可以加快反应速率又可以使化学平衡向正反应方向移动。但生产设备能不能承受那么大的压强，产生压强所需的动力、能源 又是限制压强的因素。

浓度：在生产过程中，不断补充N2和H2，及时分离出NH3，不但可以加快反应速率，还能使平衡右移，提高NH3的产量。 d。合成氨的适宜条件

压强：20~50MPa

温度：500℃左右（此时催化剂的活性最大）

催化器：铁触媒（以铁为主题的多成分催化剂）