你知道吗?你每天呼吸的空气中,有近四分之三是由一种元素组成的。这种元素是什么呢?它就是氮。氮是一种非常特殊的元素,它在自然界中无处不在,却又难以被发现和利用。它是生命的基础,也是科学的挑战。它既能创造奇迹,也能造成灾难。它是如何影响着我们的世界的呢?让我们一起来探索氮的奥秘吧!

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氮是一种很早就被发现的元素,但却没有被人们重视和认识。1772年,瑞典药剂师卡尔·威廉·舍勒和英国化学家丹尼尔·卢瑟福几乎同时发现了氮。他们都是通过将空气中的氧气和二氧化碳消耗掉,得到了一种不支持燃烧和呼吸的气体,即氮气。后来,法国科学家安托万-洛朗·德·拉瓦锡确定了这种气体是一种新的元素,而不是空气的一种形式。

氮的命名由来有两个版本,一个是由法国化学家让-安托万·沙普塔于1790年提出的nitrogène,意为硝石的组成者,因为氮存在于硝酸和硝酸盐中,是制造火药的重要原料。另一个是由拉瓦锡提出的azote,意为无生命的,因为氮不支持燃烧和呼吸,是一种窒息气体。

氮的同位素的发现和应用也有着悠久的历史。氮有两种天然同位素,氮-14和氮-15,它们的原子量分别为14和15,占比分别为99.6%和0.4%。氮-15是一种稳定的同位素,它可以用于测定氮的循环和固定,以及生物的代谢和营养。例如,通过测量植物中氮-15的含量,可以判断植物是从空气中固定氮还是从土壤中吸收氮,从而了解植物的氮素来源和利用效率。氮-15还可以用于制造一些医用的放射性同位素,如氮-13,它可以用于正电子发射断层扫描(PET)的诊断。

氮在自然界中有着广泛的分布和形态,它在大气中、生物圈中和地壳中都有重要的作用。

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氮在大气中的分布和形态是最为人们熟知的。氮占空气体积的78%,是空气中含量最多的元素。氮主要以双原子分子氮气的形式存在,也有少量的一氧化氮、二氧化氮等氮氧化物,它们是大气污染的主要来源之一,也是温室气体的一种。

大多数的潜水活动所背负的气瓶,里头所装载气体成分仍与自然空气相同,也就是约莫五分之一的氧气,和五分之四的氮气。这是最适合人类活动的气体配比,如果呼吸纯氧,会使红血球载氧量大量增加,人根本无法适应。

潜水氧气瓶中含氮的比例一般是79%,也就是与自然空气相同。但是,有些经过训练的潜水者可以采用高氧空气,也就是在空气中加入氧气,使氧气的比例升高到32%或更高,这样可以延长潜水时间,减少减压时间。还有一些深海潜水者会使用氦气和氧气的混合物,这样可以避免氮气在高压下造成的麻醉作用,也就是所谓的氮醉。

氮气是一种非常稳定的气体,它的分子之间由三个共价键连接,很难与其他元素结合,因此氮气对生物的活动几乎没有影响,但也不能被生物直接利用。

氮是生物体中的重要元素,构成氨基酸、蛋白质和核酸,是生命的基础。然而,生物不能直接利用氮气,必须通过一些特殊的方式将氮气转化为能够被生物吸收的形式,如氨、硝酸盐、铵盐等,这个过程称为氮的固定。氮的固定可以通过物理、化学和生物的途径进行,其中最重要的是生物固定,即由一些能够利用氮气的微生物(如根瘤菌、蓝藻等)或植物(如豆科植物等)进行的固定。

生物固定的氮可以通过食物链传递给其他生物,从而维持生物圈中的氮平衡。当生物死亡后,氮会被分解为氨或氨基酸,然后被另一些微生物转化为硝酸盐或氮气,这个过程称为氮的矿化和反硝化,从而使氮重新回到大气中,完成氮的循环。

氮在地壳中的含量和矿物是氮的另一个重要的作用。氮在地壳中的含量很少,只有0.0046%,自然界中的氮主要以硝酸盐的形式存在,如硝石和钾硝等。

这些硝酸盐是一些重要的矿物,它们可以用作肥料、火药、玻璃、陶瓷、染料等。硝酸盐也是一些有趣的化学反应的原料,例如,将硝石和糖混合,可以制造出一种叫做“蛇”的实验,它会在加热时产生一条黑色的泡沫,就像一条蛇一样。硝酸盐还可以和一些金属反应,产生一些美丽的火花,这就是烟花的主要原料。

氮有九种氧化态,从-3到+5,这意味着氮可以和很多元素形成不同的化合物,这些化合物的性质也各不相同。氮原子之间可以形成非常牢固的三键,使得氮的化合物很不稳定,容易分解释放能量,这就是为什么氮的化合物可以用作炸药和推进剂的原因。例如,三硝基甲苯TNT、硝化甘油、硝酸铵等,都是常见的氮炸药,2017年,人类合成出一款全氮阴离子盐,它是一种具有非常好的热稳定性和极强的氧化性的白色晶体。当全氮阴离子盐的氮原子从负三价还原为零价,也就是氮气时,会产生巨大的爆炸力。氮离子盐炸弹的理论能量密度可达1万-10万焦耳/克,是传统TNT炸药的10~100倍,接近核弹的威力水平,而且爆炸产物为氮气,无污染,可以用作“干净”的氢弹的引爆剂。

此外,氮的化合物还可以用作一些高能量的燃料,如液体氧化剂和液体氢,它们可以为火箭和航天器提供强大的动力。

氮元素通过合成氨的方法,可以将氮气转化为一些有用的化工原料,如硝酸、尿素、硝胺等。合成氨是一种将氮气和氢气在高温高压和催化剂的作用下,生成氨气的过程,它是工业上最重要的化学反应之一,每年产生的氨气超过1亿吨。合成氨的方法是由德国化学家弗里茨·哈伯于1909年发明的,后来由卡尔·博施改进了工业化的方法,因此这个过程也被称为哈伯-博施法。合成氨的方法的发明,为人类提供了大量的氮肥,极大地提高了农作物的产量和质量,也为人类的食物供应做出了巨大的贡献。哈伯和博施因此分别获得了1918年和1931年的诺贝尔化学奖,根据一些估计,合成氨的发明使得全球的粮食产量提高了40%到60%,养活了全球一半以上的人口。如果没有合成氨的方法,以目前的耕地面积养活80多亿人口,是一个不可想象的任务。某种意义上说,这两个诺贝尔化学奖是诺奖历史上最为重要的2次。

此外,氮的化合物可以制造各种医药、农药、染料、塑料、纤维等,改善人类的健康和生活质量。氮的化合物在医药方面有着广泛的应用,例如,青霉素、磺胺、抗组胺、抗生素、抗癌药等,都含有氮原子,它们可以治疗各种疾病和感染,拯救了无数的生命。氮的化合物在农药方面也有着重要的作用,例如,氮肥、杀虫剂、除草剂、激素等,也都含有氮原子,它们可以增加农作物的抗病性和抗虫性,保护农作物的生长和收获。

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氮的化合物在染料方面也有着悠久的历史,例如,靛蓝、茜草红、花青素等,都含有氮原子,它们可以为纺织品、绘画、印刷等提供丰富的色彩和美感。氮的化合物在塑料和纤维方面也有着广泛的应用,例如,尼龙、聚酰胺、聚氨酯等,都含有氮原子,它们可以制造出各种轻便、耐用、实用的材料和产品。

通过本文,我们了解了氮的基本特征,氮的起源和历史,氮在自然界的作用,以及氮对科学的发展的影响。我们发现,氮是一种非常特殊的元素,它在自然界中无处不在。

未来的人类对氮元素研究方向或问题,有很多,例如,如何更有效地利用和保护氮资源,如何减少氮的污染和危害,如何开发更多的氮化合物和材料等。这些问题都需要我们不断地学习和创新,以求得更好的解决方案和方法。