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杂说生活中的氮 精选

已有 4986 次阅读 2022-3-21 08:29 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

杂说生活中的氮

氮是我们最熟悉的元素之一。从小学开始,我们就知道,在我们周围的空气中,氮气快占到五分之四(体积约78%),氧气则是五分之一多一点(体积约21%)。一般情况下,气体中体积占百分之多少,就是分子个数占百分之多少。

氮气和氧气都是双原子分子,一个分子中有两个原子。这样,我们的身体每时每刻所接触到外界的原子中,氮原子毫无疑问是最多的。有人说,我们不还穿着衣服吗?身体要与衣服上面的原子如碳原子、氢原子、氧原子等接触的。实际上,皮肤与衣服接触,并不是分子紧贴着,绝大多数还是“架空”在那里的,中间有许许多多的空隙。也就是说,仍然是空隙多,实碰实的接触少。在空隙中的当然还是空气,所以,我们接触到最多的原子,仍然是氮原子。

我们的身体主要有20多种化学元素组成,而实际上能够找到的包括很微量的元素达60多种。人体中一大半都是水,如果按质量多少排列,前六位的元素是:氧65%、碳18%、氢10%、氮3%、钙1.5%、磷1%,其余加起来不到1.5%。如果去掉水,则碳元素最多,占48.4%,毕竟有机化合物的骨架是碳链,氧占23.7%,第三位就是氮,占12.9%,氢原子虽然个数多,但是原子最轻,所以质量只占6.6%。

这是因为人体组织最主要的成分是蛋白质,蛋白质是一种多聚体,其单体是氨基酸。氮元素就在氨基酸里。

上面所说的组分虽然说是人体的元素组分,但是所有的生物体也都大同小异,其具体数量比例会有差别,但是元素多少的次序却没有多大的差别。

我们体内的氮元素是从哪里来的?

虽然我们每时每刻都在呼吸,但是呼吸只涉及氧气和二氧化碳的交换,不涉及氮气,呼吸不能使我们身体增加氮元素(也正因为如此,清代的徐寿把它翻译成淡气,后来写为氮气)。我们身体的氮元素只能从食物中摄取,我们吃动物性食物和植物性食物,食肉动物主要吃食草动物,食草动物吃植物。归根结底,氮元素还是要从植物那里取得。

那么植物生长需要到氮元素从哪里来?人们会说,从土壤中吸取啊,也正是如此,我们才需要给农作物施氮肥。

我们没有施氮肥之前,甚至没有我们人类之前,土壤中的氮元素从哪里来?

虽然氮元素在空气中占到五分之四之多,但是,在地壳中,氮元素的含量却很低,只占到第41位,比被称为“稀土元素”的铈、钕、钇、镧等还要少,只有很少的地方有硝酸盐矿藏。所以,从岩石风化得到原始沙土中,氮元素的含量很低,基本上没有。

如今土壤中的氮元素大致有两个主要来源。一个是雷电引起氮气氧化,以硝酸形式随雨水降下,在土壤中留下硝酸盐。另一个,是有一些细菌能够利用空气中的氮元素,即固氮细菌的作用。如今被人们熟知的与豆科植物共生的根瘤菌就是一种固氮细菌,当然它是后起的。亿万年来,雷电和固氮微生物,使土壤中有了越来越多的氮元素,逐步能够使植物能够生长在土地上。

植物死亡腐烂后,一部分氮元素留着了沙土中,动物吃了植物,尸体也留着在沙土中,被细菌所分解,沙土中的有机物越来越多,就成了土壤。

几千年来,我们懂得,动植物的尸体腐烂了能够作肥料。动植物尸体之所以能够作氮肥,是因为动植物本身含有氮元素。我们人和动物的粪便也可以作氮肥,也正因为人和动物都要吃食物。食物中的氮元素被吸收,生成蛋白质以补充我们的细胞,而死亡细胞中的蛋白质分解后一部分氮元素作为尿素从尿里排出,更主要的是通过大量死亡的肠道细菌从粪便中排出。

尿素没有气味,可是它可以分解产生氨气(NH3,英语ammonia,旧时音译阿摩尼亚),氨有强烈的刺激性气味,所谓尿骚味,主要就是氨的气味。现在的少年人吃肉多,摄入的蛋白质丰富,新陈代谢旺盛,尿也特别骚。

这样,粪便和尿液中都含有氮元素,可以做肥料。

由于土壤中的氮元素归根结底只有打雷放电和固氮菌的作用,而同时却还有一些化学反应使得含氮化合物分解成为氮气,所以,过去含氮的肥料是很缺乏从而是宝贵的,农民要想尽办法积肥,城市里的人粪尿都是一种商品。

氮肥缺乏的问题在20世纪初合成氨工业的兴起被一举破解。合成氨就是把氮气和氢气在催化剂的作用下化合,生成氨。

氮是元素周期表中的第7号元素,核外有7个电子,其中2个是内层电子,不参与化学反应,5个是价电子。氮原子有3个价电子分别与氢原子成键,另外2个电子形成孤电子对。(图)

氨分子.jpg

由图,我们可以把氨的分子视为氮原子伸出三只“手”分别与氢原子成键,形成一个三角锥形的分子,氮原子的“背”上背着一对孤对电子。

同样,利用这个图像,如果不存在三个氢原子,而存在另一个氮原子,也“伸出三只手”,与原先氮原子的“三只手”成键。这就是两个氮原子形成氮气分子的价键图像。当然,我们一般也可以用两个氮原子分别形成一个σ键和两个π键来解释氮气分子。这样形成的氮气分子是一个非常稳定的结构,致使氮气分子是一个非常惰性的分子。也正是氮气分子的稳定和惰性,致使绝大多数氮元素只以单质形态存在于大气中,而很少以化合物存在于地壳里。

如果氨分子中间的氢原子被其他有机基团(例如烷基、羧基、苯基、羟基等)取代,或者说,是氨基与其他有机基团相连,就称为胺。例如氨分子中的一个氢原子被甲基取代,就称为甲胺;两个氢原子被甲基取代,就是二甲胺;一个氢原子被苯基取代,称为苯胺等等。这样就可以形成许多胺类有机化合物。例如苯胺就是非常有用的化合物,它的衍生物形成一系列染料、药物、农药等等。现代社会各种物品如服装的五彩斑斓,许多都是苯胺的衍生物所致。

上面图上氨分子“背上”的一对孤对电子中如果失去了一个,剩下的一个也是与氢原子成键,就形成了NH4正离子,与酸根负离子一起就成为一个盐,称为铵盐。铵盐比如硝酸铵(俗称硝铵)、硫酸铵(俗称硫铵)都可以作氮肥。

这样,就得到了氨胺铵三个字。氨是英语ammonia的音译。胺则是英语amine的音译。铵则对应于ammonium。这三个字在字典上的读音,虽然拼音都是an,但是声调却不同:氨是阴平,音如安;胺是去声,音如暗;铵是上声,音如俺。

字典上是这样写的,可是除了播音员和极少几个比较“较真”的中学教师之外,大概没有几个人会这样去读。化学工作者和一般人都把这三个字都读成“安”。这样读好像也没有出现什么问题。

含氮的化合物中与之类似有读音问题的字还有一对,它们是氰和腈。

氰是碳和氮的化合物。把氮气中的一个氮原子换成碳原子,由于碳原子比氮原子少一个电子,这样形成的一个基团,称为氰基,-CN。

氰基中的碳原子与氢原子成键,就形成了氢氰酸HCN。氢氰酸和它的盐氰化钾KCN,氰化钠NaCN,都是毒性很大的化合物。氰化钾和氰化钠在过去的谍战影视剧中多见,谍报人员自杀多用此物。在某些果核如苦杏仁、生银杏中,往往含有少量的氢氰酸类化合物,生食这些果核,往往容易引起儿童们中毒甚至死亡。

如果氰基与有机基团相连,这样的化合物就称为腈。最有名的腈类化合物是丙烯腈,是氰基与丙烯基相键连。丙烯腈可以聚合成高分子,称聚丙烯腈,它的商品名是腈纶。腈纶纤维保暖性能好,被称为人造毛。过去认为它吸水性能不好,如今纺成超细的纤维,其吸水性能也非常好了。

氰是英语cyanogen的音译,读作qing1。把氰基与有机基团相连称为腈,与上面所说的氨与胺相类比,腈照理也应当与氰读一样的音,只是变一个声调。但是,腈是一个原来就有的古字,意思是精肉,读为jing4。虽然现在不用了,但是搞文字的人仍然按照古字书上的读音,在字典上表作jing4。

当然,现在也只有播音员和少部分教师按照字典上的读音读。大多数化学工作者仍然把腈读作“青”。商店里也总是把腈纶读成“青纶”,江浙沪一带过去甚至根据吴方言的读音写为“晴纶”。

我主张,这些字的读音,还是应当遵从大多数化学工作者的读法,从众为好。

回过头来继续说氨。氨基与羧基以及其他有机基团相连,就形成氨基酸。例如,乙酸上的一个氢原子被氨基取代,就形成了甘氨酸。丙酸中一个氢原子被氨基取代,就成了丙氨酸。又如,戊二酸有5个碳原子,两头都是羧基,第二个碳原子上的一个氢原子被氨基取代,就是谷氨酸。谷氨酸的钠盐就是味精。这些都是氨基酸的例子。

蛋白质就是由氨基酸缩水而聚合起来的。在人们的消化道里,它水解成了氨基酸,被人们吸收。人体内蛋白质的种类很多,性质、功能各异,但都是由20来种氨基酸按不同比例和次序组合而成的。这20种氨基酸有些可以由人体自己合成,有8种则必须从食物中取得,这8种称为必需氨基酸。

我们的食物中,8种氨基酸都齐全的蛋白质称完全蛋白。最齐全而且比例最合适的完全蛋白是乳中的酪蛋白及乳白蛋白、蛋中的卵白蛋白及卵黄蛋白。肉中的白蛋白和肌蛋白次之。这些都是最好的蛋白质。大豆蛋白也是完全蛋白,但是吸收率比上面所说的几种差。像米、面、蔬菜、肉皮、筋等含有的蛋白质一般都是不完全蛋白,也就是说会缺乏这种或那种氨基酸。但是,如果我们吃得杂一些,各种食品蛋白质中的氨基酸会相互取长补短,所以,食物一定要吃得杂一些。

上面所说,主要是氮元素与我们的食品和衣着,吃和穿有关。实际上,氮元素还与我们的住和行密切相关。

我们只需要简单地说一点,如今用得最多的炸药之一,TNT,是三硝基甲苯TriNitroToluene的简写。硝基-NO2,是一种含氮的基团,在许多炸药中都含有它。硝化甘油最早也是炸药(现在用于冠心病急救的也就是它)。当然更早的还可以前推到黑色火药中的“火硝”,即硝酸钾。

有了炸药,我们才能够大规模地开山挖矿、修路、开石头、盖高楼大厦。

当然,如今搞破坏、进行战争的也用炸药。我们要和平,反对战争。

我们今天的衣食住行,哪一样都离不开氮元素。






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