【元素家族——連載33】空氣里最多的元素——氮

氮元素在宇宙中的丰度有960ppm，排名第七，正如同它的原子序數，和重於它的氧：10400ppm相比實在不能算多。和其他很多更重或者更輕的元素一樣，它的產生來源於恆星。

很抱歉，儘管我們已經進入氮的篇章，卻還逃離不了碳的陰影，我們在說到氮的時候還得請出碳來。因為氮來源於恆星內部的碳氮氧循環（CNO Cycle）：碳12原子核與一個質子（氫原子核）聚合生成氮13原子核，這是一種很不穩定的同位素，它很快發生β衰變，生成碳13原子核，碳13再碰到一個質子生成氮14原子核，這就是氮元素的主要由來。但是在CNO循環中，氮14原子核還繼續反應下去，和一個質子碰撞生成氧15原子核，氧15也很快發生β衰變，生成氮15原子核，氮15再跟一個質子碰撞，這次生成一個碳12原子核和一個α粒子（氦4原子核）。

【轉了一圈，碳12還是碳12，但是這個循環相當於把4個質子（氫1原子核）變成了一個α粒子（氦4原子核）。碳、氮、氧原子核相當於是這個循環的「催化劑」。】

碳氮氧循環是美國的漢斯*貝特和德國的魏茨澤克分別發現的，20世紀初以前，科學家們一直被恆星的偉力所驚嘆，究竟是什麼樣的能源才能夠讓太陽輻射出如此巨大的能量，照射到我們地球，溫暖人間大地。一直到1926年，愛丁頓才提出，太陽的能源來自氫核的聚變。但是很快問題又來了，根據理論的推算，即使太陽的中心溫度達到4000萬度，氫核在這個溫度下也很難聚變成氦核。一直到碳氮氧循環的提出，科學家們才終於意識到原來存在這麼一種催化路徑，幫助恆星的「燃燒」。

漢斯*貝特和魏茨澤克幾乎同時提出CNO，但是當時的諾貝爾獎還沒有開始將獎項分給幾個人的習慣，加上後來漢斯*貝特又獨立提出了質子-質子鏈，豐富了恆星理論，因此他獨立獲得了1967年諾貝爾物理學獎。

【1967年諾貝爾物理學獎：漢斯*貝特，參加過曼哈頓計劃，探索太陽能源之謎。】

眾所周知，地球上氮元素在空氣里以氮氣的形式存在，而且是空氣中最多的成分，佔據78%的體積。不要小看這一點，氮氣的這種存在對地球上的生命必不可少，如果沒有氮氣的填充，過分的氧氣會讓化學反應過於激烈，有可能讓生命都難以長期存在。如果僅僅留下20%大氣壓的氧氣，把氮氣趕走，那麼現存所有的生命將無法適應如此低的氣壓。

也就是說，每天圍繞我們的四面八方都有氮的身影，它們和春風一起撫摸我們的面龐，它們隨著呼吸進入我們的體內。但它們只是個過客，「輕輕的我走了，正如我輕輕的來，我揮一揮衣袖，不帶走一片雲彩！」說的就是氮氣吧。

【圍繞我們的空氣中最多的是氮氣，我們每天都在跟它親密接觸，但是我們卻渾然不知。】

這一切都是因為氮氣的化學性質太不活潑了，木炭也好，蠟燭也好，都無法在其中燃燒。至於動物、植物，在純氮氣中也會窒息而死。當1772年蘇格蘭化學家盧瑟福從空氣中分離出氮氣的時候，由於無法支持燃燒，他將其命名為「有害氣體」，並把它跟同樣不能助燃二氧化碳混淆了。後來經過舍勒、卡文迪許、普利斯特里和拉瓦錫們的研究，才發現這是一種元素，他們的故事我們在「氧」的篇章里再細談。

我國清末化學家徐壽在翻譯的時候之所以給「氮氣」起這麼個名字，是因為他認為它「沖淡」了空氣。

【氮元素的發現者：盧瑟福。】

氮氣的這種不活潑性讓它適用於在各種情況下用做保護氣，而且由於氮氣在空氣中就有，因此它絕對是最便宜最經濟的保護氣，在工業、電子、醫療、化工領域被廣泛應用，在我們身邊，快要被淘汰的白熾燈泡裡面填充的就是氮氣。

【氮氣填充作為保護氣氛在很多地方都可見，白熾燈就是其中一例。】

啤酒在生產過程中需要避免被氧化，所以需要氮氣氣氛的保護。最近有人將氮氣和二氧化碳混合到一起，充入啤酒內，據說這樣的啤酒更加順滑和令人陶醉，深得英國漢子的喜愛。

【啤酒生產過程中的氮氣保護，和啤酒中沖氮是兩回事，後者純粹是噱頭，至少我喝不出來。】

近年來，4S店給土豪們提供一種沖氮氣服務，據稱因為氮氣更加惰性，所以會讓輪胎避免被氧化因而壽命更長，另外由於填充了氮氣，在發生事故的時候會更加安全。商家們還會給土豪們展示：你看，飛機、F1賽車的輪胎都是填充氮氣的！

其實，飛機、F1賽車的輪胎之所以填充氮氣，最大的原因是因為氮氣比空氣輕一點，但是僅僅是一點點，一個標準的小車輪胎如果填充氮氣的話，只會輕三十克，對於飛機和F1賽車來說是能輕則輕，但是對於我們家用車來說實在是沒必要。另一方面則是因為氮氣的分子比氧氣分子大一點，所以滲透率會低很多，也就是說漏氣會更慢一點，其實對於我們家用來說這一點實在是無所謂。

想想也很容易理解，空氣其實就是78%含量的氮氣，為了提高那22%得付出那麼大的成本實在是不值得。當然我們這裡是給草根百姓做的理性分析，立志將自己的豪車打造成F1的土豪們請無視。

【給自己的小車沖氮是一種土豪行為，學習科學，避免被宰。】

氮氣雖然對於大多數物質惰性，但是對於某一些物質還是需要慎用它來做保護氣的，比如鋰、鎂，在氮氣中燃燒的那個熱烈啊！

【鎂在氮氣中劇烈燃燒。】

小測試：

1， 氮元素是第（ ）號元素

A）5

B）6

C）7

D）8

2， 漢斯*貝特因為發現的碳氮氧循環而榮獲了1967年諾貝爾（ ）獎

A） 和平

B） 化學

C） 物理

D） 生物

3， 空氣中最多的成分是：

A） 氮氣

B） 氧氣

C） 二氧化碳

D） 惰性氣體