在地球的表面有一層厚厚的大氣層,這層大氣供各種生物消耗,同時也保證了水分、熱量不會大量散失。正是因為有了這層大氣,オ使得這個星球上能夠有生命存在。大氣主要包括氮氣和氧氣,其中氮氣占空氣總體積的78%。
常溫下氮氣并不活潑,這使空氣含量保持了相對的穩(wěn)定性。從分子結構的角度來講,每個氮分子是由兩個氮原子組成的(N2),這兩個氮原子間通過一種強烈的相互作用連接在一起,在常溫下,這種作用力很難被破壞。但如果外界提供能量,如高溫或者放電的條件,就足以破壞這種分子內的強烈的相互作用,這時一個氮分子變?yōu)閮蓚€氮原子(N2→2N),就很容易發(fā)生化學反應了。高溫下氮氣可以與多種金化合;鎂條可以在氮氣中燃燒;高溫、高壓、催化劑存在的條件下氮氣可以直接與氫氣化合成氨氣。有閃電的時候,氮氣可以與氧氣直接化合生成一氧化氮,這一反應被稱為自然界的固氮過程,利用這個反應可以為人類造福:閃電時生成的一氧化氮遇到空氣中的氧氣馬上轉化為二氧化氮,二氧化氮溶于雨水形成稀硝酸,隨大雨傾瀉到地面與土壤中的礦物質反應,形成可溶性的氮肥,可以直接被植物吸收利用。方程式如下:
N2+O2=(放電)2NO
2NO+O2=2NO2
3NO2+H2O=2HNO3+NO
據(jù)估計,地球上每年由“雷電合成”的氮肥有4億多噸,這正是農(nóng)諺所說的“雷雨發(fā)莊稼”。
自然界“制造”的氮肥還是不能滿足人類對氮肥的大量需求。20世紀初,各國科學家紛紛致力于對“人工固氮”過程的研究。怎樣才能把資源極豐富的氮氣轉變?yōu)橐妆恢参镂绽玫幕衔锬??很顯然,實現(xiàn)這個方案很不容易,因為無論通過高溫還是放電來破壞氟的分子結構,在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中都是不現(xiàn)實的。經(jīng)歷了無數(shù)次失敗之后,終于,德國化學家哈伯于1909年用鋨作催化劑合成了氨,當時產(chǎn)率很低,后經(jīng)改進發(fā)展為工業(yè)化生產(chǎn)方法,1911年建成了世界上第一座合成氨工廠,開始大規(guī)模生產(chǎn)氮肥,為提高農(nóng)作物產(chǎn)量做出了極大貢獻。氨氧化之后還可以得到硝酸,進而得到炸藥、染料、塑料等,使化學工業(yè)大大向前邁進了一步,1918年哈伯因為這一杰出貢獻獲得了諾貝爾化學獎。但是,正如歷史告訴人們的:科學是一把雙刃利劍,哈伯用他的聰明才智效忠于德國,利用這一研究成果制造了大量烈性炸藥,為德國發(fā)動第一次世界大戰(zhàn)提供了強有力的條件。第一次世界大戰(zhàn)期間,哈伯又指導德軍首次使用了毒氣武器。他這種愚忠于祖國的行為遭到了各國科學家和世界人民的指責。
經(jīng)常使用的氮肥有硫銨[(NH4)2SO4]、碳銨[(NH4)2CO3]、硝銨(NH4NO3),都屬于銨鹽。銨鹽有三個共同的特性:加熱易分解:易溶于水;能與堿反應放出氨氣。所以在使用的時候一定要注意,不要放在高溫的地方;不要讓肥料受潮;不能和不成性肥料一起使用。
硝酸是一種強氧化性的強酸,有一點化學知識的人都知道:硝酸與金屬反應時一般不放出氫氣,就是因為硝酸有強氧化性。將硝酸和鹽酸按照1:3的摩爾比配成溶液稱為“王水”,“王水”的氧化性更強,甚至能溶解金、鉑這類非常穩(wěn)定的金屬。濃度很高的硝酸有一個特性,易分解,方程式為:
4HNO3=(加熱)2H2O+4NO2↑+O2↑
因此可以用濃硝酸作火箭發(fā)射劑的燃料添加劑。
氮還是構成有機物的重要元素,在作為生命基礎物質的蛋白質中,氮是必不可少的。人通過飲食攝取動植物蛋白,經(jīng)消化后重新合成人體蛋白質、補充到血液、肌肉和臟器中。如果沒有氮元素,由碳、氫、氧只能構成水和糖,而不能組成肌肉,皮膚、血液、毛發(fā)等等??梢哉f,氮是生命的基本元素。