另辟蹊径造氮肥

来源 :大科技·科学之谜 | 被引量 : 0次 | 上传用户:josiefeiv
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  两个氮原子靠三个键把它们牢固地捆绑在一起,好像是一对发誓永不分离的情侣,别的原子或分子要想插足它们之间很难。因此,氮气是非常稳定的物质,很难与别的物质进行反应。
  一百多年前,著名化学家哈伯探索到了把氮气变肥料的方法,在大约500℃的高温和几百个大气压的高压下,还要用铁进行催化。这样的条件虽然人类能够满足,但有较大的危险,容易因高温高压而出事故。
  其实试想,在化肥出现之前,生命已经存在了几亿年了,没有人类为它们制造氨,它们照样能活。原来生命们自有一套制造氨的妙法,例如很多植物是借助固氮菌提供的氨合成蛋白质。固氮菌合成氨的方法却是常温常压,显然固氮菌的方法更巧妙。经探究,原来固氮菌体内有一种固氮酶,这是一种含有铁和钼的蛋白质,正是它们的催化,让氮分子乖乖地分手,并与氢牵手,这个过程并不需要上述苛刻的条件,只要周围没有氧就行。
  长期以来,科学家一直想模拟固氮酶的工作方式,但是固氮酶等生物酶类都是精妙复杂的生物结构,人类目前的科技很难模仿,所以科学家的探索都没有结果。
  值得一提的是,2011年11月美国《科学》杂志刊登了来自美国罗彻斯特大学哈兰的研究,哈兰发现了一种在常温常压下就能把氮转变成氨的妙招,意味着人类向成功模拟固氮菌迈出了很大一步。
  我们知道,固氮酶中的铁和钼是在酶分子中包裹着的,而哈兰注意到铁与其它能给出电子对的CN、CO等小分子可以形成络合在一起的络合物,在这种化合物中,铁居于中心,周围包围着这些小分子,这样的化合物一般能够比较稳定地存在于溶液之中。哈兰想,这样的络合物是否能有类似于酶的功能呢?于是他利用这种铁络合物的溶液进行实验,最后发现,溶液中有钾存在的情况下,铁络合物就可以与氮反应生成Fe3N2这种氮化物,好像是在周围小分子的帮助下,3个铁原子成功介入了氮分子内的三个键之间,生生把氮分子给拆开了。
  这个过程好像模拟了酶的催化过程,固氮酶也是在酶生物分子的帮助下让铁介入氮分子内的。而生成的这种氮化物也是位于络合物小分子的包围之中,比较稳定。氮分子一旦被拆开就好办了,之后在酸性条件下,通入氢气,Fe3N2就与氢反应生成了氨。
  虽然哈兰的方法实现了常温常压下制造氨,但是还没法代替哈伯工业制氨方法,因为哈兰方法成本更高。因此还需要沿着哈兰的思路继续探讨,寻找到成本最低的更妙的方法,真正实现工业上模拟固氮酶。
  不过,值得关注的是,哈兰的方法在过程中可以制造出多种氮化物,有的氮化物是很珍贵的药物,也许哈兰的研究会种豆得瓜,在药物合成领域得到应用,为人们提供合成珍贵药物的便捷途径。
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