杂说生活中的氮

　　天水生态环境
　　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）
　　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。
　　作者：冯大诚 山东大学化学专业教授