杂说生活中的氮

Lv.25变形虫

牛顿

我们每时每刻所接触到的外界原子，氮原子毫无疑问是最多的。因为在空气中，氮气体积占比约78%，氧气体积占比约21%。氮气和氧气都是双原子分子，即一个分子中有两个原子。

人体主要由20多种化学元素组成，加上微量元素则有60多种。按质量排列，前6位的元素分别是：氧65%、碳18%、氢10%、氮3%、钙1.5%、磷1%，其余元素加起来也不到1.5%。如果不计人体中水的成分，则碳元素最多，占48.4%，毕竟有机化合物的骨架是碳链；氧元素占23.7%；第三位就是氮元素，占12.9%。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。

虽然我们每时每刻都在呼吸，但是呼吸过程只涉及氧气和二氧化碳的交换，与氮气无关。也正因为如此，清代的徐寿把它翻译成淡气，后来写为氮气。我们体内的氮元素是从食物——动物性食物和植物性食物——中获取的。归根结底，氮元素还是要从植物那里取得。那么，植物生长需要的氮元素又是从哪里来的呢？

有人会说，植物从土壤中吸取氮元素，所以才需要给土壤施氮肥。那在没有施氮肥之前，甚至人类出现之前，土壤中的氮元素来自哪里？

虽然氮元素在空气中占绝大多数，但在地壳中氮元素的含量很低，只排在第41位，比被称为“稀土元素”的铈、钕、钇、镧等还要稀少得多，只有很少的地方有硝酸盐矿藏。土壤中的氮元素有两个主要来源：一个来源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；另一个来源是能够利用空气中氮元素的固氮微生物。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，使植物能够逐渐生长起来。

食草动物吃植物，食肉动物吃食草动物……动、植物死亡腐烂后，一部分氮元素又留在土壤中。

过去，含氮的肥料是很缺乏也很宝贵的，人体粪便和尿液中的氮元素都容不得浪费。直到20世纪初，合成氨工业的兴起才一举破解了氮肥缺乏的问题。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。氮原子核外有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。氨分子的结构是这样的：氮原子3个价电子分别与氢原子成键，另外2个价电子形成一对孤对电子。我们可以把氨分子视为氮原子伸出3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”则背着一对孤对电子。

如果不存在3个氢原子，而存在另一个氮原子，也伸出3只“手”，同样也能成键——两个氮原子就形成一个氮气分子。当然，我们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具有非常稳定结构的惰性分子。也正是因为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，而很少以化合物形态存在于地壳里。如果氨分子中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，就是甲胺；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，就是苯胺……如此可以形成许多胺类有机化合物。例如，苯胺及其衍生物囊括了一系列染料、药物、农药等。

氮原子“背上”的一对孤对电子如果失去了一个，剩下的一个也可以与氢原子成键，形成NH4 正离子，它与酸根负离子结合就成为一类盐——铵盐。硝酸铵（俗称硝铵）、硫酸铵（俗称硫铵）这样的铵盐都是重要的氮肥。

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，这样形成的基团被称为氰基（-CN）。氰基中的碳原子与氢原子成键，就形成了氢氰酸（HCN）。氢氰酸及其盐，如氰化钾、氰化钠，都是毒性很强的化合物。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，可能会引起儿童中毒甚至死亡。

如果氰基的碳原子与烃基相连，这样的化合物被称为腈。最有名的腈类化合物是丙烯腈，是氰基与丙烯基相键连。丙烯腈可以聚合形成聚丙烯腈，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，其吸水性能非常好。

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，就形成了结构最为简单的一种氨基酸——甘氨酸（氨基乙酸）；丙酸中一个氢原子被氨基取代，就成了丙氨酸；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，就形成了谷氨酸。谷氨酸的钠盐就是味精。

蛋白质就是由氨基酸缩水而聚合起来的。在消化道里，蛋白质又水解成了氨基酸，被人体吸收。人体内蛋白质的种类很多，性质、功能各异，但都是由20多种氨基酸按不同比例和次序组合而成的。这些氨基酸有的可以由人体自己合成，还有8种氨基酸则必须从食物中取得，被称为必需氨基酸。

在食物中，8种必需氨基酸都齐全的蛋白质被称为完全蛋白。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要差一些。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。所以，我们吃得要尽量杂一些，让各种蛋白质、氨基酸相互取长补短。