固氮与合成氨.pptx

固氮与合成氨 1100011010孙博勋 1 氨的用途 2 工业合成氨 3 生物固氮 1 氨的用途 2 工业合成氨 3 生物固氮 1 氨的用途 氮肥硝酸炸药制药合成纤维染料塑料制冷剂纯碱 1 氨的用途 2 工业合成氨 3 生物固氮 2 工业合成氨 N2 3H2 2NH3 fHo298 92 2kJ mol So298 198 2J mol K可以算出合成氨过程中各个温度下的平衡常数 2 工业合成氨 由此可见 合成氨的反应是一个 反应 温度低有利于正反应 而温度的高时更有利于氨的分解 所以温度不可过高 另一方面 从动力学角度来讲 温度越高 反应达到平衡时间越短 所以温度不可过低 催化剂可以缩短达到平衡的时间 但是目前工业上的的催化剂不可使在常温下反应瞬间达到平衡 所以 升高温度 虽然对反应平衡不利 但是由于常温下反应过慢 在实际工业生产中只能通过升高温度来加快反应速率 2 工业合成氨 1795年 50个大气压合成19世纪后期 勒夏特列 高压合成氨能斯特通过理论证明 高压下是不能合成氨的 哈伯证明 能斯特计算数据有误 可以合成氨 1909年 哈伯 600 C高温 200atm 锇做催化剂 产率为8 经过数万次试验后 最后选定了含铅镁促进剂的铁催化剂 用含熟铁衬里的低碳钢作为容器 耐压200atm 1913年 第一个合成氨的工厂建立 失败 N2中混入O2爆炸 失败 2 工业合成氨 现代合成氨方法 温度 500 C目的 兼顾反应速率和转化率 使催化剂活性达到最大压力 200 500atm目的 提高转化率 考虑仪器承受压力催化剂 铁触媒采用迅速冷却法除去氨 以实现循环反应 2 工业合成氨 在高温下合成氨 虽然在速率上可以达到要求 但是由于产率过低 耗能过大 而且存在催化剂中毒之类的弊端 还需要改进 而如果想要在常温下固氮 就必须增大压力至2000atm 这样对容器耐压要求非常高 有没有一种方法 既能克服热力学上转化率的问题 又能克服动力学上反应速率的问题 1 氨的用途 2 工业合成氨 3 生物固氮 3 生物固氮 3 生物固氮 根瘤菌能够实现在常温下 生物体内固氮 固氮总方程式 N2 6H nMg ATP 6e 2NH3 nMg ADP nPi 酶 3 生物固氮 固氮酶 由钼铁蛋白和铁蛋白组成的复合体 这两种蛋白单独存在时都不呈现固氮酶活性 只有两者形成复合体才具有还原氮的能力 这两种蛋白对氧气都极为敏感 氧气浓度大于10 6 就可以使固氮酶失活 钼铁蛋白也称为组分1或二氮酶 铁蛋白也称为组分2或二氮酶还原酶 3 生物固氮 目前这两种蛋白的具体结构还不是很清楚 只知道钼铁蛋白是一个 2 2型的四聚体 分子量220 230k 亚基分子量约为55k 由nifD基因编码 亚基分子量约为60k 由nifK基因编码 钼铁蛋白含有两种金属原子簇 M 簇和P 簇M 簇 通常称为铁钼因子 是固氮酶的活性中心P 簇 负责传递电子 由两个4Fe4S组成 3 生物固氮 铁蛋白由是由两个相同亚基组成的 2型二聚体 分子量约为60k 每个亚基的分子量约为30k 由nifH基因编码 功能是提供还原时所需要的电子 铁蛋白内有两个Mg ATP结合 水解位点 Mg ATP结合 水解位点和4Fe4S簇位置相近 两者直接关系到电子由铁蛋白向钼铁蛋白的传递 此外 镁离子和ATP也是固氮中不可缺少的成分 3 生物固氮 生物固氮的过程 1 2Mg ATP与铁蛋白结合2 钼铁蛋白与铁蛋白 2Mg ATP结合形成复合物3 ATP水解 发生电子转移 N2得到一个电子4 钼铁蛋白与铁蛋白 2Mg ADP分离5 2Mg ATP替换出2Mg ADP如此完成一次循环 过程中N2得到一个电子 消耗2ATP 如此循环往复6次 并保持电荷平衡 即可将氮气还原为氨 Mg ADP 磷酸 Mg ADP 磷酸 Mg ATP Mg ATP 3 生物固氮 铁蛋白 e Mg ATP Mg ATP 3 生物固氮 近年来 对化学模拟生物固氮研究较多 但是 即使将固氮从豆科植物内转到非豆科植物难度也非常的大 主要原因是固氮酶对氧气过于敏感 而大多数生物都是需氧型的 如果氧气浓度过低会导致生物体死亡 而将其用于工业生产也是不现实的 因为固氮酶结构未知 其固氮详细机理也在进一步探索之中 参考文献 Ammonia FromWikipedia thefreeencyclopediaBriefHistoryoftheDiscoveryofNitrogen fixingOrganisms