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氮的固定

發布日期:2017-09-28 作者:成飛 點擊:

氮的固定是将空氣中遊離态的氮轉化為含氮化合物的過程。如豆類植物共生的根瘤菌。它們能吸收大氣中的氮氣分子,将其轉變成氨及铵離子。

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。主要原因在于氮氣分子十分安定,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,如存在于自然界氮循環(nitrogen cycle)中的氨、铵離子、亞硝酸根、硝酸根等。生物體吸收這些氮化合物後,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。 

釩氮合金廠家了解到,自然界固定氮的主要途徑有兩種。

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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,并繼續與氧分子反應産生氮的氧化物,這些氧化物會溶于雨水,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産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,頂多隻占總量的10%。

其二是固氮細菌:這是固定氮的最重要途徑,須借助于或獨自存在于土壤中,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,将其轉變成氨及铵離子。每年經由細菌固定氮所得的含氮化合物,約占總量的65%。 其餘25% 的固定氮,來自于工業途徑。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,促使氮與氫産生反應生成氨。工業固氮是将所得的氨,再進一步制成氮肥,如硝酸铵與磷酸铵,然而此法成效不佳(産率僅約20%)且極耗能源。


自然固氮

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着很多的根瘤,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,根瘤菌便順着豆科植物的根毛尖端,鑽進豆科植物的皮層中,并在皮層中大量繁殖,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内固氮酶将空氣中遊離态的氮還原成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,能使空氣裡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杆菌、一些原核低等植物——固氮藍藻、自生固氮菌體内都含有固氮酶,這些酶有固氮作用。這一類屬自然固氮的生物固氮。

閃電能使空氣裡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産的需求。


人工固氮

20世紀初曾模拟閃電、電弧法生産硝酸,制造氮肥。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,都在研究模拟生物固氮,即尋找人工制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,含有兩個钼原子、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。

由于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。

本文網址:http://www.lnople.com/news/223.html

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