氮?dú)?/a>約占大氣總體積的80％，其共價(jià)鍵鍵能高，一般情況下，化學(xué)性質(zhì)并不活潑，待氧氣被發(fā)現(xiàn)后，才更多地了解到氮?dú)?/strong>的性質(zhì)。不過(guò)有趣的是，氧氣的化學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)比氮?dú)?/strong>活潑，氮?dú)?/strong>的發(fā)現(xiàn)時(shí)間卻比氧氣為早。
布萊克在發(fā)現(xiàn)“固定空氣”后，將木炭放在水槽上的玻璃鐘罩內(nèi)燃燒，待木炭熄滅后，水進(jìn)入玻璃罩內(nèi)，他把生成的“固定空氣”用苛性鉀溶液吸收后，注意到仍有相當(dāng)多體積的氣體留下來(lái)。顯然，這是不同于“固定空氣”的新氣體，他要求他的學(xué)生盧瑟福（1749—1819 年）繼續(xù)研究這種剩余氣體的性質(zhì)。
1772年，丹尼爾·盧瑟福（此君不要與20世紀(jì)著名的原子物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟?；煜┱谟?guó)愛(ài)丁堡大學(xué)攻讀醫(yī)學(xué)，也許是專業(yè)課程的緣故（醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究常做活體生理實(shí)驗(yàn)），他偏重于研究氣體對(duì)活動(dòng)物的生理效應(yīng)。他把老鼠放在密閉容器里，直到老鼠悶死后，器皿內(nèi)的氣體容積減少了1／10（實(shí)為老鼠耗掉的氧），又用苛性鉀溶液吸收剩余的氣體，發(fā)現(xiàn)氣體體積又比原來(lái)減少了約1／11（老鼠呼出的和空氣本身存在的二氧化碳），而剩余的氣體仍可使點(diǎn)燃的蠟燭火光隱現(xiàn)（部分剩余的氧氣和氮?dú)?/strong>以及稀有氣體），待蠟燭熄滅后（幾乎僅剩余氮?dú)?/strong>），他又用燃燒白磷來(lái)除去剩余的那部分氣體，白磷發(fā)光燃燒，對(duì)除掉空氣中的助燃?xì)鈦?lái)說(shuō)，效果是好的。對(duì)磷燃燒后剩余的氣體進(jìn)行研究，盧瑟福發(fā)現(xiàn)這氣體不能維持生命，具有滅火性質(zhì)，也不溶于苛性鉀溶液。
盧瑟福也是一位“燃素論”者，他認(rèn)為，蠟燭仍能在悶死老鼠后的空氣中燃燒，即釋放出“燃素”，蠟燭熄滅后，白磷仍可在里面燃燒，繼續(xù)釋放出“燃素”，他對(duì)此的解釋是：很難用“燃素”使空氣完全飽和。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，盧瑟福確定，動(dòng)物呼吸和物質(zhì)燃燒耗掉約1／5的空氣，剩余的4／5的空氣既不助燃又不助呼吸，又不能為苛性鉀溶液所吸收，氮?dú)?/strong>所以不助燃，是因?yàn)樗呀?jīng)吸足了燃素，這樣就使它失去了助燃的能力，他將這種氣體命名為“飽和了燃素的空氣”或“濁氣”（不能維持生命），在他的博士論文《固定空氣與濁氣導(dǎo)論》報(bào)告了研究成果。后來(lái)，在弄清了燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)后，拉瓦錫將“濁氣”命名為“氮”，意為“無(wú)益于生命”。
其實(shí)，與盧瑟福同時(shí)代的化學(xué)家卡文迪許、普利斯特列、舍勒各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了氮?dú)?/strong>，只是未公開發(fā)表，因此目前一般認(rèn)為盧瑟福是氮?dú)?/strong>的發(fā)現(xiàn)者。同在1772年，卡文迪許將空氣反復(fù)通過(guò)赤熱的木炭，用苛性鉀溶液吸收生成的二氧化碳，經(jīng)上述處理后的剩余氣體不能助燃，比重比空氣略小，他將實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫信告訴了普利斯特列，沒(méi)有公開發(fā)表。隨后，卡文迪許進(jìn)行氮氧混合放電的實(shí)驗(yàn)氮?dú)?/strong>，忠實(shí)記錄了剩下的小氣泡，成為100多年后拉姆塞和瑞利發(fā)現(xiàn)稀有氣體—?dú)宓闹匾€索。
1772年，瑞典化學(xué)家舍勒從事火和空氣的研究，確認(rèn)了氮?dú)?/strong>是空氣的一個(gè)組成部分。舍勒也是“燃素論”的粉絲，但他認(rèn)為，既然燃燒離不開空氣，那么應(yīng)該首先搞清楚空氣的成分。舍勒首先將硫肝（由硫酸鉀和硫一起共熱熔融成肝臟色的混合物，其特性是易于吸收氧氣）置于密閉的玻璃罩水面上，使之與罩內(nèi)的空氣充分作用，方知兩周后，發(fā)現(xiàn)約有1／3的空氣被硫肝吸收，依照同樣的方法，將實(shí)驗(yàn)改成放置一周，則空氣體積減少約1／5，又將時(shí)間延長(zhǎng)為放置2月，則空氣的體積減少量與放置兩周的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，即減少約1／3。
后來(lái)，舍勒又用硫化鉀、濕潤(rùn)的鐵屑，鐵礬（氫氧化亞鐵 Fe（OH）2）等物質(zhì)進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果空氣體積總是減少1/3到1/4，而不會(huì)失去更多（實(shí)際上所說(shuō)的1/3～1/4，是稍高一些，應(yīng)為1/5）。據(jù)此，舍勒確定空氣由兩部分組成，其中的一部分所占的體積，是另一部分的三到四倍。另外，舍勒還用在一定體積的空氣中進(jìn)行了點(diǎn)燃蠟燭、燃燒木炭和燃燒酒精等其它實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)果。于是他得出結(jié)論：一部分空氣吸收燃素，即支持燃燒，另一部分不吸收燃素，即不支持燃燒。舍勒將前一種組分稱為“火空氣”，后一組分稱為“劣質(zhì)空氣”（不能與燃素結(jié)合），也就是氮?dú)?/strong>。從這個(gè)意義上說(shuō)，舍勒算是氮元素的真正發(fā)現(xiàn)者。
在發(fā)現(xiàn)氮?dú)?/strong>這一重要成果的推動(dòng)下，舍勒和普利斯特列很快家發(fā)現(xiàn)了推翻“燃素論”的關(guān)鍵—氧氣。
氮元素與生命
“氮”這個(gè)名稱是法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫起的，希臘文的原意是“無(wú)益于生命”。這真冤枉了“氮”，今天已經(jīng)清楚，氮是生命的組成元素之一，生命的基本材料—蛋白質(zhì)的基本單位—氨基酸，其重要元素之一就是氮。沒(méi)有氮就沒(méi)有蛋白質(zhì)，也就沒(méi)有生命。
存在于自然界的氨基酸有300多種，而組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸則只有區(qū)區(qū)20種。經(jīng)科學(xué)測(cè)算，各種蛋白質(zhì)的含氮量十分接近，平均約為16％。由于蛋白質(zhì)是體內(nèi)的主要含氮有機(jī)物，因此測(cè)定樣品的含氮量即可推算蛋白質(zhì)的大致含量。即：
每克生物樣品含氮量*6.25 ＝每克生物樣品蛋白質(zhì)含量
自然界的碳循環(huán)已為教科書所講述，現(xiàn)在不妨來(lái)看看自然界的氮循環(huán)。氮?dú)?/strong>占大氣的絕大部分，確不能為動(dòng)植物直接利用，它們的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源只能是含氮的化合物。工業(yè)上新型氣體報(bào)警器，在高溫（400～500℃）和高壓（200Pa）下，氮?dú)?/strong>與氫氣反應(yīng)生
成氨，此法由德國(guó)化學(xué)家哈伯發(fā)明，又稱為哈伯合成法：
N2 + 3H2 ——→ 2NH3
200Pa 催化劑
在工業(yè)固氮以外，大氣中的氮可經(jīng)過(guò)下列幾個(gè)途徑進(jìn)入高等生物體內(nèi)：
第一，微生物固氮。我國(guó)古代早就已知道了種豆肥田的道理，而解開這一奧秘的卻只是近幾十年的事情。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種名為“根瘤菌”的微生物，它侵入豆科植物根部，使宿主根部長(zhǎng)出小瘤，形成根瘤?！案鼍眱?nèi)含一種固氮酶，其活性中心含鐵和鉬兩種元素，可將大氣中的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘倍恢参锔课绽?。作為回?bào)，“根瘤菌”從植物根部汲取自身不能合成的碳化氫生存。“根瘤菌”與豆科植物是一種共生關(guān)系。
第二，大氣固氮：雷雨天氣的閃電，使氮和氧發(fā)生反應(yīng)生成一氧化氮（NO）可燃?xì)怏w報(bào)警器，繼而氧化為二氧化氮（NO2），與雨水混合后生成硝酸隨雨水降到土壤中。同時(shí)，土壤中的氨或氨鹽在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)變成硝酸鹽，被植物吸收利用。動(dòng)物直接或間接以植物為食物，從植物中攝取蛋白質(zhì)，作為自身氮的來(lái)源。
第三，巖漿固氮：當(dāng)火山噴發(fā)時(shí)噴射出的巖漿，可以固定大氣中部分的氮，相對(duì)于前兩者，此途徑固氮作用幾乎可忽略不計(jì)。
動(dòng)、植物死亡后，其遺體在土壤微生物的作用下，也可再被分解成氨、二氧化碳和水。這些氨也會(huì)進(jìn)入土壤，再次重復(fù)上述過(guò)程。另一部分氨會(huì)在反硝化細(xì)菌的作用下，分解成游離氮，進(jìn)入大氣，完成氮的循環(huán)。
氮在自然界的循環(huán)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，固氮作用與反硝化細(xì)菌的游離氮作用大致處于一種平衡狀態(tài)氮?dú)?/strong>，生物圈中大體上不存在多余的氮化合物。從本世紀(jì)30年代以來(lái)，由于復(fù)合化肥的廣泛應(yīng)用和石油的大量開采，原有的氮平衡遭到破壞?，F(xiàn)在，土壤中的細(xì)菌已不能完全吸收和降解因人類活動(dòng)而產(chǎn)生的氮化合物，氮的化合物排放過(guò)多使得少數(shù)植物大量繁殖，而其它不能適應(yīng)環(huán)境變化的生物將日趨消亡，這將嚴(yán)重影響生物的多樣性。典型例子就是水體富營(yíng)養(yǎng)化后，藻類植物瘋狂繁殖，而其他動(dòng)植物則銷聲匿跡。另外，氮氧化合物的急劇增多，主要源于汽車尾氣排放，隨雨水降到土壤后氮?dú)?/strong>，造成土壤中的鎂、鈣、鉀等礦質(zhì)元素，形成可溶性的硝酸鹽而流失，導(dǎo)致土壤越來(lái)越貧瘠。人類自身的活動(dòng)破壞了自然界的氮平衡。
目前，人類在高溫高壓的條件下將氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘保瑥拈L(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，這種工業(yè)固氮模式應(yīng)該讓位于生物固氮，這是生態(tài)自然觀下的生產(chǎn)方式，這也是解決氮失衡的重要途徑。如果人類能夠制造出固氮酶或模擬根瘤菌的固氮作用，這無(wú)疑又是一次影響深遠(yuǎn)的農(nóng)業(yè)革命。
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