从“窒素”到生命元素

李启翔

人工固氮是十分伟大的发明，人类从此能从空气中获取氮化合物，给植物施加氮肥，大大提高了粮食产量。历史上诺贝尔奖曾经三度颁给为此做出贡献的科学家。他们是1918 年获奖的德国化学家哈伯，1931 年获奖的德国化学家博施，2007 年获奖的德国化学家埃特尔。

冰的表面为什么那么滑？这个看似简单的问题却被探究了一个多世纪。最近的研究认为，冰的表面天然存在一层介乎于水与冰之间的准液体薄膜，它只有一根头发的百分之一厚，既具有粘性，也具有弹性，因此非常润滑。

有这样一种元素，从被发现的那天起，就被科学家认为对生命没有益处，而到今天，它早已摇身一变，成为生命必需的元素。走上这条逆袭之路的，就是元素周期表中的第七号元素，也是空气中含量最多的元素——氮（Nitrogen）。

不燃烧的空气

虽然如今我们已经完全摸透了空气的组成，不过在18 世纪以前，这对人类来说还完全是个谜团。

当时，科学家们十分执着于分离空气的成分。苏格兰科学家克拉克就是以研究二氧化碳闻名。他通过实验研究发现，并非所有气体都能使蜡烛燃烧，如果将蜡烛放在密闭空气罐中点燃，蜡烛熄灭时，罐中会留有气体，这种气体既无法燃烧，也无法支持其他物质燃烧。1772 年，克拉克的学生卢瑟福确定这种气体会导致老鼠窒息死亡。

由于布拉克和卢瑟福都相信“燃素说”，即“燃烧是一个可燃物质释放燃素，周围气体吸收燃素的过程”。他们相信，罐中留下的气体是因为燃素已经饱和，才不支持燃烧，故称其为“燃素化的空气”。

氮的利用

氮气在空气中十分丰富，获取的成本比稀有气体低廉得多，加上它不易燃烧，安全无毒，因此应用十分广泛。

名称的演变

“燃素说”不久后就被著名化学家拉瓦锡通过实验否定了。拉瓦锡提出空气中这种无法支持燃燒的气体是由一种新元素构成的，并将它命名为azote（取自希腊语，意思是“没有生命的气体”），在日语和韩语中被译为“窒素”。

1790 年，法国化学家查普塔尔提出，由于氮存在于硝酸和硝酸盐中，因此可命名为Nitrogen，即硝素，就是形成硝石的物质，这便是现在氮元素名字的由来。中国清末化学家徐寿在翻译时曾称它为“淡气”，意思是冲淡了空气的气体。

于生命，不可或缺

氮普遍存在于动植物等有机体中，在人体中氮元素的含量位列第四。所有动植物体的蛋白质均是由多种氨基酸组合而成的，而氮元素是构成氨基酸最基本的元素之一。人类可以通过饮食摄取动植物蛋白，经过消化后重新合成人体蛋白，补充到血液、肌肉和脏器中。如果没有氮元素，则碳、氢、氧等元素只能构成水和糖，无法组成肌肉、皮肤等完整的结构。

利用，没那么简单

生物可以通过呼吸或光合作用吸收空气中的氧，那也能直接利用空气中的氮吗？答案是不能。由于结构性质稳定，氮气要转化为含氮的化合物十分困难，这个过程被称为固氮。它又分为自然固氮和人工固氮。

另一面，化学杀手

不过，哈伯也是一位争议性极大的科学家。他对人工固氮的贡献使全球农作物的亩产量平均增长了4 倍，被誉为“用空气制造面包的圣人”。但诺贝尔奖揭晓时，大量科学家公开反对，认为哈伯卷入了第一次世界大战，没有资格获得这项荣誉。

原来，哈伯发明的固氮方法，除了为人类提供了大量高效的化肥外，也提供了最强悍的炸药——硝酸铵。除此之外，哈伯还研制出多种毒气用于战场，就此，化学的“潘多拉魔盒”被哈伯打开，化学除了造福人类，也开始扮演战争武器的角色。爱因斯坦就曾气愤地指责哈伯是“科学界的无赖，丧心病狂的走狗”。

炸药与神药

与之相对应的，诺贝尔化学奖的创立者，瑞典科学家诺贝尔也曾致力于炸药的研究。1860 年，诺贝尔开始从事硝化甘油炸药的研究。硝化甘油是由硝酸和甘油反应得到的产物，具有强烈的不稳定性。而正是由于不稳定性，诺贝尔的工厂经常发生爆炸，造成人员伤亡和财产损失。直至1866 年，他终于发现一种叫矽藻土的物质，可以吸收硝化甘油，使之变得更稳定和易于携带。但是，与哈伯不同的是，诺贝尔也意识到他的发明给人类带来的危害和灾难，于是在他逝世后所设立的奖项中，特别设立了和平奖，以表达对世界和平的深切渴望。

有趣的是，硝化甘油既是炸药，也是救心药。1998 年，诺贝尔生理学或医学奖被颁发给美国科学家团队，以表彰他们对硝化甘油扩张冠状动脉的探索。他们发现，信号分子一氧化氮可以造成血管内皮细胞扩张，这个发现最终带来了冠心病人的救命神药——硝酸甘油。