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氮的自述

氮是一種無色、無臭、無味,很不活潑的氣體,由於沒有刺激性,因此幾乎感覺不到我的存在。從無人理睬的醜小鴨,搖身一變成為花枝招展的搖錢樹,這便是我—氮—的故事。
 
 
 
我是氮,位於元素周期表第 15(VA)族的首位。我是一種無色、無臭、無味,很不活潑的氣體,但是同族的其他元素都是金屬或類金屬。雖然,人們呼吸時會吸入大量的氮氣,但由於我沒有刺激性,因此幾乎感覺不到我的存在。就因為化學性質安定,所以很少有人研究氮。一直等到 1772 年,人類才正式認清我的廬山真面目。

發現我的人主要有 3 位。第 1 位是發現氯氣的瑞典人許勒(Carl Wihelm Scheele, 1742-1786),他在燃燒鉀硝石(硝酸鉀,KNO3)製造氧氣時,證明空氣是氧氣和另一種不活潑氣體的混合物。另外,氫的發現者凱文迪西男爵(Henry Cavendish, 1731-1810)曾經在 1772 年寫給朋友的信札中,也提到「氮」的製法。

但是,最初對我做有系統研究的人是蘇格蘭的一位化學家兼醫生──拉賽福博士(Daniel Rutherford, 1749-1819),科學界也公認他是氮的發現者。

拉賽福還在愛丁堡大學讀書時,當時蘇格蘭的化學權威布拉克博士(Joseph Black, 1728-1799)也在該校任教。布拉克博士為拉賽福指定的博士論文內容,就是研究當含碳的物質在密閉容器內燃燒,並除去所生成的二氧化碳後,容器中殘餘的另一種氣體。他的研究指出,這種氣體是極不活潑的新氣體,不能自燃也不能助燃,能夠令老鼠窒息而死,而其體積占空氣的五分之四。

因為拉賽福使用燃磷法,也就是在玻璃罩中燃燒白磷,除去玻璃罩內空氣中的氧氣後,而得到這種「剩餘氣體」,就是我──氮氣,所以在他所製得的氮氣中有五氧化二磷的蒸氣。由於五氧化二磷是惡臭的,於是拉賽福誤認我是惡臭的氣體,而取了「有毒氣體(noxious air)」及「燃素化的空氣(phlogisticated air)」的名字。又因為我不支持燃燒、呼吸,也就是說生物在氮氣中不能呼吸生存,拉賽福便又取了「濁氣」這個名字。不過,他並不認為「濁氣」是空氣的一種成分。

法國的拉瓦錫(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794)也替我取了「Azote」(窒素)這個名字。按照 Azote 的希臘文原意,是「不能維持生命」的意思,這是因為拉瓦錫認為不支持呼吸是氮氣的主要性質。現在所用的「nitrogen」這個名字,是由法國的化學家察普塔(Jean-Antoine Chaptal, 1756-1832)在 1790 年命名的。

我的原子量不是一個整數,這是什麼緣故呢?因為氮有 14N 和 15N 兩種穩定存在的同位素,其中 14N 的含量占 99.634%,因此我的平均原子量是 14.0067。也就是說,差不多在 273 個氮原子中,只有 1 個是 15N 原子,其他的 272 個原子都是 14N。

純淨的氮氣在常溫下是無色無味的氣體,我比空氣略輕,在攝氏零下 195.79 度時會變成沒有顏色的液體;在零下 210.00 度時,則成為雪花狀的固體。我在水中的溶解度很小,在平常的狀況下,1 公升的水中只可溶解 0.02 公升的氮氣。

雖然氧是空氣中不可或缺的氣體,但空氣中含量最多的氣體卻是我。就氣體來說,氮和氧其實同樣重要,因為我也是維持生命不可或缺的元素之一。只要給予正確的燃燒條件,氧是很容易起反應的,我則不同,我的特性是不會有什麼反應。儘管呈現出如此的惰性,還是必須設法讓我起化學反應,因為在這個地球上,每一種生物的每一股 DNA、每一條肌肉纖維,以及每一個細胞中的每一種酶都需要我。

假如有一天,人類把空氣中的我全部用光了,屆時世界會變成什麼模樣呢?到時候,地球上將發生一場前所未有的大火災,因為氧氣占了 95% 以上的空間,它就可以自由自在地與其他的物質化合,發揮氧化作用,使得一切可燃物質都燃燒起來。森林、榖類、房舍、工廠及所有生物都化為灰燼自不用說,即使是鋼鐵也會燃燒起來,發出很明亮的火光。

這一場大火是任何一種救火物質都不能撲滅的。砂和泡沫滅火器所產生的二氧化碳,因為數量很少而不能起作用。由此可知,我在空氣中占五分之四體積的重要性。

我有兩種可以利用的特性:惰性較大,幾乎一無是處;液態氮是超冷液體。

這種元素的惰性一度算是缺點,現在卻成了長處。例如,有足夠多的氮存在,就可以避免發生爆炸的危險。在博物館中,貴重的畫冊常常保存在充滿氮氣的圓筒中。這是因為氮氣能阻止畫冊的氧化,而且它還不支持生物體呼吸,因此蛀蟲在氮氣中不能生存,當然也就無法搗亂了。此外,如果糧食、水果等處在低氧、高氮的環境中,也能使害蟲因缺氧窒息而死,因此糧食和農產品的倉庫中,常利用「真空充氮」的方法保存糧食、水果。

氣態且惰性大的我往往用以排除某一環境中反應活性較強的氣體。在工業上,氮氣常用做保護性氣體,像是用在電子零件的生產和儲存中;為了避免酒被氧化,在開封後,人們常常充入氮氣來保護酒;為了避免水果腐爛,人們也在採摘後用氮氣保護這些水果,例如把蔬果放置在低溫充氮的環境中,便可以保存 30 個月之久。

除了這些用途外,氮氣還可以用在石油生產中,把壓縮氮氣注入油井中,從地下壓出油,這種方法也稱為「加壓生產法」。由於空氣中的其他氣體會與石油反應,產生人們不希望有的副產物,因此普通空氣不能用在加壓生產石油上,就只有我可以勝任這項工作。

液態氮是超冷液體,會在攝氏零下 195.79 度氣化!在過去,有許多種食物無法用傳統方法來冷凍。因為溫度下降得不夠快,在緩慢冷凍的過程中,水往往會形成霜針或冰晶,刺破脆弱的細胞壁,所以蝦子會變得淡而無味,草莓失掉色澤,洋蔥變得像橡皮。現在情形可不同了,把這些食物放在液態氮裡一浸立即冰凍,並且能保持新鮮和原有的組織。

多年來,有冷藏設備的貨運卡車及鐵路貨車,一直有一個隨著機械設備與生俱來的問題,即機械一旦故障,就會造成貨物的重大損失。時移境遷,現在的液態氮冷藏設備幾乎沒有故障的疑慮。這套設備包括一個儲藏箱、一個活瓣,以及一具恆溫器。當活瓣打開時,壓力減低,超冷的液態氮氣化為氣體,放出的凜冽氣體充塞貨車,使氣溫降到需要的程度。

貨車司機裝好冷凍食物,帶著 100 加侖的液態氮上車,保證他可以安全抵達 3 千公里外的目的地,一路上不必為了車上的氣溫操心。供應液態氮的加油站也因此應運而生。液態氮像其他液體一樣可以唧送或傾注,稍加壓力就可以在高度絕熱的容器內長久保存,損耗有限。

法國工程師發現我的超冷性還有意想不到的用途。例如,在巴黎近郊某地鋪設下水道,因為水滲入坑穴快而抽水慢,工程因此陷於停頓。解決的辦法是把液態氮注入插在泥土中的鐵管,泥土立時凍結,硬如岩石,滲水的現象終於停止,工程得以繼續進行。

在過去,製鋼業使用數以千噸計的氧,用來提高熔爐中的溫度,並加速爐中的反應。所用的氧多半是從液化空氣中提煉出來的,但是空氣中差不多有五分之四是氮,而這些氮簡直毫無用處,只好丟棄,科學家和工程師自然很心痛。究竟有沒有辦法利用氮呢?於是,科學家和工程師開始大動腦筋。

前面介紹的食物貨車的冷凍顯然是最早的應用,但是不久後,又應用在其他方面。在太空中,沒有太陽光照到的地方,溫度往往會降到接近絕對零度(即攝氏零下 273.15 度),在這種情況下,分子活動勢必幾乎停止。金屬和儀器在太空中遇到這樣的溫度會發生什麼變化呢?在實驗室中數以噸計的我正忙著提供答案,類似的實驗室也用在模擬北極的情況,藉以試驗必須承受得了攝氏零下 50 度寒冷的油漆和門窗。

液態的我也在生物學方面出現了新的遠景,我的超冷特性對一切組織或微生物提供了永生的希望。以通常的實驗室方法培養細菌和病原體,往往會有變質的傾向。因此,某種病原體今天是這個形態,明年可能是另外一種形態。

利用液態氮進行高度快速冷凍,不但可以延長生命,又可以維持原狀,因此提供了不變的參考資料。利用液態的我冷藏、保存動物精液是當中最成功的方法,而且這種液態氮保存法對個別細胞的損害比其他的方法來得輕微。有科學文獻記載,使用液態氮冷藏的公牛精液在保存了十年之久,仍然可以與卵子結合,培育出小牛。

液態氮在工業上除了用來冷凍食品和保存生物樣本外,又由於氮無反應活性,因此液態氮也是低溫實驗,例如超導材料測試實驗中,首選的冷凍劑。應用在極度寒冷的冰凍手術中,也是液態氮的另一個實用領域。

美國紐約醫院的庫柏醫生(Dr. Irving S. Cooper, 1922-1985)設計一種絕熱的細管,可以直接插進腦內,管內流著液態氮,使尖端產生極度的寒冽。利用這種細管可以破壞某些不健全或有病的腦細胞,如此一來,可以使有遺傳缺陷的病人,例如有大腦癱瘓或多發性硬化一類病症的病人,獲得顯著的紓解,減輕了震顫及其他症狀。

在眼科手術方面,液態的我也可以用在固定視網膜上。多年來,視網膜脫落是利用極其準確的電擊來焊接的,不過這種手術在病人的一生中必須重複好幾次,而且焊接會遺留疤痕,使以後的手術更為困難。紐約康乃爾醫學中心的林柯夫醫生(Dr. Harvey A. Lincoff)在 1962 年提出,利用以液態氮冷卻到攝氏零下 10 度以下的探針,可以進行各種眼科手術以治療眼疾,像是治癒視網膜脫落而無疤痕。他的設想居然成為事實,他用冷卻到攝氏零下 40 度的探針在患處接觸 2 至 5 秒鐘,就完成視網膜的黏合工作。

我在常溫時是很不活潑的,這是什麼緣故呢?因為在氮分子中的 2 個氮原子彼此緊緊吸牢。用化學專業術語來講,就是 2 個氮原子之間以參鍵鍵結。參鍵的鍵結能量很強,以致氮分子很難分解成 2 個氮原子。除此之外,氮和金屬的化合力也不強,只有在高溫下我可以與鋰、鈣、鎂等金屬形成氮化物。

沒有我真的不能維持生命嗎?人們發現氮對生命是如此的重要,如果說「沒有氮,就沒有生命」也不過分,因為我是構成生命基本物質—蛋白質—的必需元素。蛋白質中大約含有 15~17% 的氮,例如,雞蛋白的分子式是 C239H389O78N58S2、乳蛋白是 C708H1130O224N180S4P4、麥蛋白是 C685H1068C211N196S5、血色素是 C158H1208N195O213S3Fe 等。因此,植物界的確需要很多的氮肥料。我的主要用途之一就是用來製造肥料,也就是「人造氮肥」。

在第一次世界大戰以前,製造氮化合物的氮素都是用智利硝石(NaNO3)為原料。但是自然界存在的氮化合物數量有限,不能滿足人類日益增長的需要。因此,在 1898 年,著名的英國化學家克魯克斯爵士(William Crookes, 1832-1919),很憂懼地大聲疾呼:「人類將要因氮的缺乏而趨於毀滅。」不久以後,人們就發明了用大氣中的氮來製造氮化合物的方法。大氣中的氮是永遠用不完的,地球每平方公里面積上的空氣中,就含有 750 萬公噸的氮,把地面上的氮收集起來,就有 375 × 1012 公噸之多。

誰最先把大氣中的氮氣變成化合物的氮呢?那應該歸功於德人佛朗克(Adolph Frank, 1834-1916)和 (Heinrich Caro, 1834-1910)2 人,他們在 1899 年發明了氰氨基法(Frank-Caro process)來固定空氣中的氮。這種方法的成本不是很高,副產物碳酸鈣也略有用處。雖是如此,比起「哈柏氨生產法」(Haber ─ Bosch process),它較不經濟,因此這種方法現在已經漸漸絕跡。

第 2 種方法叫「電弧法」,是挪威化學家柏克蘭教授(Kristian Birkeland, 1867-1917)和愛德(Samuel Eyde, 1866-1940)在 1903 年發明的。這種方法的產量不大,不過倒是很適合用在挪威和瑞典兩國。因為挪威、瑞典的河流都很短促、水流很湍急、水力發電量極大,所以可以用電弧法來固定氮。因此,氮素肥料也是挪威對外貿易的一項很重要的商品。不過,在水力不發達的國家,用「電弧法」就不太經濟了。

德國的哈柏(Fritz Haber, 1868-1935)有鑑於此,在 1907 年發明了「哈柏氨生成法」。在哈柏和波許(Carl Bosch, 1874-1940)兩位諾貝爾化學獎得主的合作下,人們實現了由氮氣大量生產氨的方法。

這種方法是使氮、氫兩種氣體通過一個裝有觸媒的大鐵筒,也就是在鐵筒的中間放著含有鐵粉和鉑粉的觸媒。這時如果把溫度加高到攝氏 500 度,壓力加大到 200 個大氣壓,氮氣和氫氣便可以直接化合成現代肥料工業的基本原料──氨。這種方法不但原料低廉,而且產率可以達到 15%,哈柏因而獲得 1918 年的諾貝爾化學獎。另外,波許在 1931 年,也因為他在高壓化學的成就而得到諾貝爾化學獎。

在第一次世界大戰中,「哈柏氨生產法」對德國起了至關重要的作用。為了保證戰爭彈藥的供應,德國需要生產大量的硝酸。在當時,德國也是從智利進口硝石來滿足軍事需要。為此,英、法等國聯合行動採取海上封鎖,阻斷德國進口硝石的運輸線。他們以為這樣一來,過不了多久,不可一世的德國就會因為缺乏硝石而無法生產彈藥,並自動投降。

然而戰事的進展卻並非如英、法等國所預料的那樣,德軍的彈藥供應仍然源源不斷。原來「哈柏氨生產法」不僅用於生產氮肥,它製造出的氨也可以用來生產硝酸,而硝酸正是製造炸藥的基礎化學原料。「哈柏氨生產法」的發明使得德國仍然能堅持戰爭一段時間!

儘管我本身很穩定,有趣的是,氮的某些化合物卻極不穩定,具有爆炸性。在國防工業方面,氮也是不可缺少的元素。在猛烈的炸藥中,幾乎都含有氮,像是硝化纖維素及三硝基甲苯中都含有氮。並且,在氬還沒有被發現以前,人們常用氮氣充填電燈泡來減緩鎢絲的揮發速度,使燈泡經久耐用。

在 1960 年代,除了肥料工業外,人們使用氮的量每年不過 20 億立方英尺。但是到現在,卻已經達到 1 千 6 百億立方英尺。平心而論,這樣子的成績不算太壞,本來人們還以為我這樣鈍的東西毫無用處呢!現在,每年約有 5,000 萬公噸的氮氣是通過液化空氣,經由分餾法生產出來的。在分餾過程中,首先把空氣液化,由於各種氣體的沸點不同,因此在升溫過程中不同的氣體會分別蒸餾出來。這樣一來,要把沸點是攝氏零下 195.8 度的我從其餘混合物中分離開,再收集起來,就比較容易了。

前面說過,很多含氮化合物是動植物生命所必需的,蛋白質和核酸就是眾多含氮生物分子中的兩種。雖然我缺乏反應活性,但自然界已逐漸形成了幾種模式,可以把氮氣轉化成能被生物細胞利用的物質。這種把大氣中的氮轉變成可用的氮化合物的方法,稱為「固氮」法。

有一些氮是通過閃電而固定下來的。在雷雨天,閃電周圍產生的極高溫度提供了足夠的能量,使正常的氮分子的 2 個氮原子分離,產生的自由氮原子能與氧化合成一氧化氮和二氧化氮。多數的二氧化氮會溶解在雨水中,然後落到土壤表面。土壤裡的固氮菌會把二氧化氮變成蛋白質、胺基酸等營養成分,這些營養成分被植物的根吸收,而植物又被動物吃掉。如此一來,在動物體內氮又生成了動物蛋白。

土壤裡的細菌還可以把生物新陳代謝後所產生的廢物,如尿素轉化為胺基酸和氮。同樣的除氮菌還能把這些化合物分解形成氮氣,使其重新回到大氣中。從氮被固定在土壤中,到最終又變成氮氣回到大氣中,這個複雜的自然反應系統稱為「氮循環」。

另一個自然固氮法是利用豆類植物,這些植物包括黃豆、苜蓿等,它們的根都有節,節上有固氮菌。這些細菌能產生固氮酶,把土壤裡的氮直接轉化形成氨。雖然至今還不知道這個過程是如何進行的,但是人們經常把這些固氮植物與其他糧食作物交替種植,以保持土壤的生物活性。

令人遺憾的是,現代農業是一種約束化生產,往往會耗盡極為重要的土壤中的含氮化合物,補充土壤中的含氮化合物也成為農業生產的一項重要課題。像是尿便、河泥、腐敗的植物、魚肥、鳥糞等都是天然的氮素肥料,人們的祖先在很久以前就知道利用這些肥料了。至於人造氮素肥料的利用,是最近一百年來的事情。

人造的氮素肥料多半是容易溶解的含氮鹽類。為了給迅速增加的人口提供糧食,人工肥料應運而生,化合物氨就是最常用的氮源肥料。氨是一種帶有刺激性氣味的無色氣體,很多人聞到它就感到不舒服。人們在商店裡可以買得到的氨,實際上是氨的水溶液。

關於氨這個名字還有一個很有趣的來歷。我們現在稱為氯化銨的化合物,起初是用古埃及供奉阿蒙神(Ammon)的神殿附近的動物排泄物製成的。不過,在傳到歐洲後,它變成了一種砂(sal ammoniac)或阿蒙鹽(salt of Ammon)。現在幾乎所有商用氨都採用前面說過的「哈柏氨生產法」生產的。

我和氧化合生成的一些氮氧化物,也加劇了已經困擾許多城市的空氣汙染問題。車子的內燃機在工作過程中會產生一氧化氮,其反應機制與天空中發生閃電時產生一氧化氮時相同。一旦進入空氣中,一氧化氮會與氧氣反應產生二氧化氮,其腐蝕性很強。以前人們在一些像洛杉磯這樣的城市上空,經常可以看到的棕色煙霧就是由二氧化氮形成的。

除了具有腐蝕性外,二氧化氮還有毒性,能給動植物帶來嚴重損害。更糟的是,來自太陽的紫外線能使二氧化氮分子解離或分裂而產生氧自由基。這些所謂的氧自由基反應活性極強,與氧分子反應產生臭氧,臭氧可以與車子排出的廢氣反應,形成一系列對人們的眼睛和咽喉有刺激性的有機汙染物。

空氣中的二氧化氮也能與空氣中的水分反應,生成具腐蝕性的硝酸。少量的硝酸是有益的,它能補充土壤中的氮含量。但大量的硝酸隨雨水落到地面時,會對建築物、紀念碑和動物生命造成嚴重損害。減少車子產生有害的氮氧化物的主要方法之一是使用觸媒轉換器,安裝在現今汽車尾氣系統中的觸媒轉換器,採用粉末催化劑混合物把尾氣中的一氧化氮分解成無害的氮和氧。

還有一種氮的氧化物──一氧化二氮(氧化亞氮,N2O),與上述兩種氮的氧化物的性質完全不同,它就是大家所熟知的「笑氣」。由於人吸入後感覺頭昏眼花、極其興奮,因而得名「笑氣」。

一氧化二氮是一種帶有輕微甜味的穩定氣體,常用做牙科的緩和麻醉劑。另外,一氧化二氮也可以用做食品的發泡劑,例如在一定壓力下,它可以溶解在奶油中,因此當含有一氧化二氮的奶油被擠出容器時,在壓力去除後,一氧化二氮會從奶油中鼓泡而形成奶油泡沫。要注意的是,一氧化二氮也是一種溫室氣體,它的溫室效果可是二氧化碳的 289 倍!

我的另外一種同位素──13N,可以用在稱為正電子發射層面照相術或正子斷層掃描的醫學新技術中。13N 具有放射性,在衰變時釋放正電子。正電子其實是帶正電荷的電子,與普通電子反應時產生輻射線,如果把 13N 這樣的正電子發射源注入人體,用一台特殊的掃描儀就可以記錄下人體斷面圖像。

由於 13N 半衰期短(只有 9.965 分鐘),給病人用的一劑 13N 還來不及對人體造成任何輻射損害前,就已因自然衰減而完全消失。實際證明,正子斷層掃描在輔助診斷腦機能障礙,例如精神分裂和阿茲海默氏症等疾病方面,卓有成效。

最近發現一個令人感興趣且有廣泛用途的氮化合物—疊氮化鈉(NaN3),這種無色鹽幾乎用在所有汽車的安全氣囊中。疊氮化鈉有很強的爆炸性,在受碰撞或點燃後會很快分解產生大量的氮氣,這些氣體能使安全氣囊迅速膨脹,進而在發生碰撞時,提供一個緩衝墊以減輕衝撞的傷害。

我原本是個俯拾皆是的氣體,因為太過平凡,又不活潑,長久以來一直被人們視為廢物,棄如敝屣,現在卻發現我有千百種新的功能。我構成了多種與工農業生產密切相關的化合物,應用範圍之廣令人咋舌,從外科手術到食品冷藏,甚至可模擬人類可能遭遇的太空情況。我─—氮──的應用真可說是醜小鴨變成美麗天鵝的最佳寫照。
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