氮气

氮气约占大气总体积的80％，其共价键键能高，一般情况下，化学性质并不活泼，待氧气被发现后，才更多地了解到氮气的性质。不过有趣的是，氧气的化学性质远比氮气活泼，氮气的发现时间却比氧气为早。

布莱克在发现“固定空气”后，将木炭放在水槽上的玻璃钟罩内燃烧，待木炭熄灭后，水进入玻璃罩内，他把生成的“固定空气”用苛性钾溶液吸收后，注意到仍有相当多体积的气体留下来。显然，这是不同于“固定空气”的新气体，他要求他的学生卢瑟福（1749—1819 年）继续研究这种剩余气体的性质。

1772年，丹尼尔·卢瑟福（此君不要与20世纪著名的原子物理学家欧内斯特·卢瑟福混淆）正在英国爱丁堡大学攻读医学，也许是专业课程的缘故（医学基础研究常做活体生理实验），他偏重于研究气体对活动物的生理效应。他把老鼠放在密闭容器里，直到老鼠闷死后，器皿内的气体容积减少了1／10（实为老鼠耗掉的氧），又用苛性钾溶液吸收剩余的气体，发现气体体积又比原来减少了约1／11（老鼠呼出的和空气本身存在的二氧化碳），而剩余的气体仍可使点燃的蜡烛火光隐现（部分剩余的氧气和氮气以及稀有气体），待蜡烛熄灭后（几乎仅剩余氮气），他又用燃烧白磷来除去剩余的那部分气体，白磷发光燃烧，对除掉空气中的助燃气来说，效果是好的。对磷燃烧后剩余的气体进行研究，卢瑟福发现这气体不能维持生命，具有灭火性质，也不溶于苛性钾溶液。

卢瑟福也是一位“燃素论”者，他认为，蜡烛仍能在闷死老鼠后的空气中燃烧，即释放出“燃素”，蜡烛熄灭后，白磷仍可在里面燃烧，继续释放出“燃素”，他对此的解释是：很难用“燃素”使空气完全饱和。经过多次实验，卢瑟福确定，动物呼吸和物质燃烧耗掉约1／5的空气，剩余的4／5的空气既不助燃又不助呼吸，又不能为苛性钾溶液所吸收，氮气所以不助燃，是因为它已经吸足了燃素，这样就使它失去了助燃的能力，他将这种气体命名为“饱和了燃素的空气”或“浊气”（不能维持生命），在他的博士论文《固定空气与浊气导论》报告了研究成果。后来，在弄清了燃烧现象的本质后，拉瓦锡将“浊气”命名为“氮”，意为“无益于生命”。

其实，与卢瑟福同时代的化学家卡文迪许、普利斯特列、舍勒各自独立发现了氮气，只是未公开发表，因此目前一般认为卢瑟福是氮气的发现者。同在1772年，卡文迪许将空气反复通过赤热的木炭，用苛性钾溶液吸收生成的二氧化碳，经上述处理后的剩余气体不能助燃，比重比空气略小，他将实验结果写信告诉了普利斯特列，没有公开发表。随后，卡文迪许进行氮氧混合放电的实验，忠实记录了剩下的小气泡，成为100多年后拉姆塞和瑞利发现稀有气体—氩的重要线索。

1772年，瑞典化学家舍勒从事火和空气的研究，确认了氮气是空气的一个组成部分。舍勒也是“燃素论”的粉丝，但他认为，既然燃烧离不开空气，那么应该首先搞清楚空气的成分。舍勒首先将硫肝（由硫酸钾和硫一起共热熔融成肝脏色的混合物，其特性是易于吸收氧气）置于密闭的玻璃罩水面上，使之与罩内的空气充分作用，方知两周后，发现约有1／3的空气被硫肝吸收，依照同样的方法，将实验改成放置一周，则空气体积减少约1／5，又将时间延长为放置2月，则空气的体积减少量与放置两周的实验结果相同，即减少约1／3。

后来，舍勒又用硫化钾、湿润的铁屑，铁矾（氢氧化亚铁 Fe（OH）₂）等物质进行类似的实验，结果空气体积总是减少1/3到1/4，而不会失去更多（实际上所说的1/3～1/4，是稍高一些，应为1/5）。据此，舍勒确定空气由两部分组成，其中的一部分所占的体积，是另一部分的三到四倍。另外，舍勒还用在一定体积的空气中进行了点燃蜡烛、燃烧木炭和燃烧酒精等其它实验，进一步证实了上述结果。于是他得出结论：一部分空气吸收燃素，即支持燃烧，另一部分不吸收燃素，即不支持燃烧。舍勒将前一种组分称为“火空气”，后一组分称为“劣质空气”（不能与燃素结合），也就是氮气。从这个意义上说，舍勒算是氮元素的真正发现者。

在发现氮气这一重要成果的推动下，舍勒和普利斯特列很快家发现了推翻“燃素论”的关键—氧气。

氮元素与生命

“氮”这个名称是法国化学家拉瓦锡起的，希腊文的原意是“无益于生命”。这真冤枉了“氮”，今天已经清楚，氮是生命的组成元素之一，生命的基本材料—蛋白质的基本单位—氨基酸，其重要元素之一就是氮。没有氮就没有蛋白质，也就没有生命。

存在于自然界的氨基酸有300多种，而组成人体蛋白质的氨基酸则只有区区20种。经科学测算，各种蛋白质的含氮量十分接近，平均约为16％。由于蛋白质是体内的主要含氮有机物，因此测定样品的含氮量即可推算蛋白质的大致含量。即：

每克生物样品含氮量*6.25 ＝每克生物样品蛋白质含量

自然界的碳循环已为教科书所讲述，现在不妨来看看自然界的氮循环。氮气占大气的绝大部分，确不能为动植物直接利用，它们的营养来源只能是含氮的化合物。工业上，在高温（400～500℃）和高压（200Pa）下，氮气与氢气反应生

成氨，此法由德国化学家哈伯发明，又称为哈伯合成法：

N₂ + 3H₂ ——→ 2NH₃

200Pa 催化剂

在工业固氮以外，大气中的氮可经过下列几个途径进入高等生物体内：

第一，微生物固氮。我国古代早就已知道了种豆肥田的道理，而解开这一奥秘的却只是近几十年的事情。科学家发现一种名为“根瘤菌”的微生物，它侵入豆科植物根部，使宿主根部长出小瘤，形成根瘤。“根瘤菌”内含一种固氮酶，其活性中心含铁和钼两种元素，可将大气中的氮转变为氨而被植物根部吸收利用。作为回报，“根瘤菌”从植物根部汲取自身不能合成的碳化氢生存。“根瘤菌”与豆科植物是一种共生关系。

第二，大气固氮：雷雨天气的闪电，使氮和氧发生反应生成一氧化氮（NO），继而氧化为二氧化氮（NO₂），与雨水混合后生成硝酸随雨水降到土壤中。同时，土壤中的氨或氨盐在硝化细菌的作用下转变成硝酸盐，被植物吸收利用。动物直接或间接以植物为食物，从植物中摄取蛋白质，作为自身氮的来源。

第三，岩浆固氮：当火山喷发时喷射出的岩浆，可以固定大气中部分的氮，相对于前两者，此途径固氮作用几乎可忽略不计。

动、植物死亡后，其遗体在土壤微生物的作用下，也可再被分解成氨、二氧化碳和水。这些氨也会进入土壤，再次重复上述过程。另一部分氨会在反硝化细菌的作用下，分解成游离氮，进入大气，完成氮的循环。

氮在自然界的循环是一个动态平衡的过程，固氮作用与反硝化细菌的游离氮作用大致处于一种平衡状态，生物圈中大体上不存在多余的氮化合物。从本世纪30年代以来，由于复合化肥的广泛应用和石油的大量开采，原有的氮平衡遭到破坏。现在，土壤中的细菌已不能完全吸收和降解因人类活动而产生的氮化合物，氮的化合物排放过多使得少数植物大量繁殖，而其它不能适应环境变化的生物将日趋消亡，这将严重影响生物的多样性。典型例子就是水体富营养化后，藻类植物疯狂繁殖，而其他动植物则销声匿迹。另外，氮氧化合物的急剧增多，主要源于汽车尾气排放，随雨水降到土壤后，造成土壤中的镁、钙、钾等矿质元素，形成可溶性的硝酸盐而流失，导致土壤越来越贫瘠。人类自身的活动破坏了自然界的氮平衡。

目前，人类在高温高压的条件下将氮转变为氨，从长远角度看，这种工业固氮模式应该让位于生物固氮，这是生态自然观下的生产方式，这也是解决氮失衡的重要途径。如果人类能够制造出固氮酶或模拟根瘤菌的固氮作用，这无疑又是一次影响深远的农业革命。