“笑气”中的氮

14.01

氮

nitrogen

原子序数：7

类型：非金属

沸点：-196 ℃（-320 ℉）

颜色：无色

发现时间：1772年

熔点：-210 ℃（-346 ℉）

氮气占地球大气总量的78%，其用途很广，从安全气囊到喷雾霜再到医院里使用的“笑气”，都会用到它。我们知道氮气的存在也只有大概250年的时间。

在18世纪，科学家们开始对人类呼吸的空气的组成成分感兴趣。1750年，苏格兰化学家约瑟夫·布莱克分离出了二氧化碳。因为二氧化碳可以从经酸处理后的石灰岩等矿物质中释放出来，所以他将其称之为“固定的空气”。另外，它也被叫作“恶气”，因为它能够使完全被它包围的动物窒息。如果封闭空间中的氧气全部烧尽，剩下的空气也有类似的窒息作用，在这种情况下，剩下的气体基本上都是氮气（还包括少量的大气中的其他非氧气气体，如二氧化碳）。

亨利·卡文迪什在研究“恶气”时，首次发现了氮气。这一发现后来基本归功于布莱克的学生丹尼尔·卢瑟福，他开展了类似的实验，并于1772年发表了自己的研究成果。卡文迪什是一个做事有条不紊，有点近乎偏执的人。他反复实验，最终成功分离出了空气的成分。首先，他将过热的木炭置于空气中，使木炭与氧气反应生成二氧化碳；然后，他用碱溶液吸收二氧化碳，剩下的就只是一种气体，它的主要成分后来被命名为氮（nitrogen），因为由它形成了硝酸钾（potassium nitrate）——也称为硝石或硝酸盐，硝酸钾是早期火药的关键成分。

氮在炸药的发展过程中起着很重要的作用。甘油与硝酸反应可以生成硝化甘油，含有氮的硝化甘油是一种在强大冲击力下会发生爆炸的液体。当阿尔弗雷德·诺贝尔找到一种方法把硝化甘油吸收到柔软的岩石“硅藻土”（也称硅藻土）中，于是便有了更安全的炸药。

汽车上的安全气囊，就是利用了氮的爆炸性。气囊中充有叠氮化钠——一种由钠和氮组成的化合物，它可以被火花触发爆炸而分解成氮气和金属钠，生成的氮气迅速使安全气囊膨胀。

另外，如果你想冷冻一些水果，氮气也能大显身手。液氮可用于速冻：你可以看到在各种在线视频中，人们用锤子将被氮气冷冻的香蕉敲碎成小块。氮气也可以用来保存新鲜水果，将水果储存在非冷藏的密封氮气箱里，就能阻止其被氧化，从而延迟腐烂。

氮也用于制造一种使啤酒起泡的小部件——在啤酒罐中放置一个带孔的小球，然后在压缩啤酒的过程中往酒内加入少量液氮。在压缩过程中氮气会发生膨胀，然后被压缩至小球内——打开罐子时释放的压力便会触发气体从啤酒内涌出。喷雾霜也利用了压缩氮的原理，将一氧化二氮气体（笑气）混合到霜中，压缩到瓶子里，当按压瓶子时，压力迫使雾状的霜从中喷出。

在闪电的高温下，空气中的氮气与氧气直接化合成氮氧化物。氮氧化物溶于雨水便会形成硝酸，然后与地面的矿物反应生成硝酸盐。绿色植物和藻类吸收硝酸盐，硝酸盐有助于形成DNA，以及促进氨基酸合成蛋白质。氮对于有机生物来说也是一种关键的元素。动物通过饮食摄入氮，最终氮被释放又回到大气中。土壤中的微生物和细菌将氮转化成硝酸盐，这个过程可以由被氨制成的化肥替代，而氨是一种由氮和氢构成的化合物。