吳佳霖 ，姚奇志

1中國科學技術大學少年班學院，合肥230026

2中國科學技術大學化學與材料科學學院，化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術大學)，合肥230026

艷陽高照，我看了看手表，時針和分針分別指向了數(shù)字“10”和“12”。根據(jù)情報，10多天來，那位懷有科學夢想的運動健兒大華正在訓練場擼鐵，好像在為某個比賽做準備。為了認識他，從前天開始，我就一直在附近徘徊與等待……看著他一天比一天練得更累，我有些心疼，卻也知道，等待的機會很快要出現(xiàn)了。

“哎呀，不好了，大華暈過去了！”有人在喊。隊里的醫(yī)護人員拿出幾袋嗅鹽，打開其中一包，湊到他的鼻子上……我飛奔過去，進入了他的意識世界……

1 初見氮先生

“請問您是？”

“我是氮先生，氮氏協(xié)會會長。氮氏協(xié)會是由人類已知的含N原子成員組成的協(xié)會，不少會員出生在幾十億年前恒星核聚變反應里，年齡最長的三個會員是13N、14N和15N，也即氮的三種同位素，其中14N最為長壽，約占天然氮的99.6%[1]。本協(xié)會于1772年創(chuàng)會，創(chuàng)建者為Daniel Rutherford，與他幾乎同時發(fā)現(xiàn)氮的還有Carl Wilhelm Scheele和Henry Cavendish。至于我是怎么來的，我也不知道，好像是跟著協(xié)會一起產生的。我通曉一切會員的動向，并將他們安排到一個個與其他元素合作的項目小組中……”

“這是哪？”

“這是氮氏協(xié)會總部氮城在你夢境里的投影。而連接你與氮城的媒介嘛，就是隊醫(yī)為了刺激你的呼吸系統(tǒng)所使用的嗅鹽，主要成分為‘一水合碳酸銨’。”

“好了，氨氣已經起作用了，你馬上就會醒轉，趕快繼續(xù)訓練吧，記得把握好度，可別再暈過去了，我們今晚夢中再見?！?/p>

我拿起手中的任務表，在“安排夜間會面”一欄后面打了個勾。作為協(xié)會會長，我的主要工作之一，就是與世界各地的人們見面，講述我們的故事，吸引更多人對氮家族產生探索的熱情。

2 深入了解

凌晨3:30，鬧鐘響了起來，正是夢境投影的好時機，我來到大華的夢中，和他分享協(xié)會的情況。

“我們與人類合作密切：1980年美國產量最高的12種化工產品中，四種含有氮[1]。從成員分布角度看，由于我們的成員不喜歡待在泥土里，因此在地表和土壤里的豐度較低。組織架構上，有兩大分會，單質分會和化合物分會，化合物分會下設有兩大分區(qū)和一個特區(qū)。首先介紹一下單質分會?！?/p>

2.1 單質分會

“單質分會分布十分廣泛，最為常見的是氮氣，占大氣體積的78.1%[1]，無臭無毒，難溶于水，由兩名成員組成，成員之間聯(lián)系緊密，難以分開，不愛與其他項目小組發(fā)生成員交換，人類把這個性質叫做惰性?！?/p>

“不過，在高溫高壓或者放電時，兩位成員都會異常興奮，與氫氣、氧氣等交換成員的可能性變得很大。N2小組與人類關系密切，人類的一呼一吸間都有大量氮氣小組的進進出出。此外，低溫下N2小組們聚集形成的液氮，在食品儲存與運輸、低溫物理學、冷凍治療等方面大放異彩呢。”

“可是，人類怎樣獲取氮氣呢？”

“工業(yè)上，人們常利用分餾液態(tài)空氣的方式獲得氮氣，并把它們儲存在黑底黃字的鋼瓶中。在實驗室里，加熱分解亞硝酸銨或分解氧化性酸的銨鹽來獲得氮氣則是化學家們常用的方法。”

“除了氮氣小組以外，由協(xié)會內部成員組成的小組還有N3、N4。”

2.2 向外交友更出彩——化合物分會

“接下來介紹化合物分會。此分會非常龐大，旗下有無機化合物分區(qū)、有機化合物分區(qū)和配合物特區(qū)。由于有機物分區(qū)過于龐大，而配合物特區(qū)又比較特殊，因此這幾天我將主要和你說說無機物分區(qū)的情況?！?/p>

2.2.1 無機化合物分區(qū)

“協(xié)會在該分區(qū)下設有多個辦事處。各辦事處下都有大量的項目小組，就從與你頻頻接觸的氨小組所在的堿辦事處開始介紹吧。”

2.2.1.1 堿辦事處

“首先認識一下氨小組。你是否記得每天進廁所時撲鼻而來的那股‘芬芳’呢，這正是那天刺激你呼吸系統(tǒng)工作的氨小組的‘功勞’。氨小組在與水小組的親密合作下，會形成使溶液呈堿性的和OH?。合成氨是制造氮肥、制冷劑、炸藥的重要原料哦?！?/p>

“嗯，說到這，不由得讓我想起化學家弗里茨·哈伯。他在實驗室里將人工高效合成氨變?yōu)楝F(xiàn)實，而以之為基礎的合成氨工業(yè)產出的氮肥徹底改變了人類農業(yè)的格局，新產出的糧食養(yǎng)活了上億的人口！”

“我有所耳聞：他由于在合成氨方面的杰出貢獻而獲得了諾貝爾獎呢。”

“不過，在一戰(zhàn)期間，他擔任了德國毒氣戰(zhàn)的科學負責人。各國科學家一致譴責他的做法，他的得獎也遭到不少科學家的反對。唉，真是沒想到，那個聰明的年輕人，竟會天真地以為毒氣進攻是結束戰(zhàn)爭的好辦法?！?/p>

“在工業(yè)之外，氨小組對科學發(fā)展也做出了巨大的貢獻。例如在1934年，正是從NH3對微波吸收現(xiàn)象的觀察中，一門新的科學分支——微波光譜學誕生了?！?/p>

“堿辦事處除了氨小組，還有其他成員嗎？”

“當然有！比如聯(lián)氨小組和羥氨小組。”

“聯(lián)氨與氨相比，堿性較弱，也是還原劑。人類常用聯(lián)氨與氧氣、過氧化氫和溴化銀等的反應性去除鍋爐水中的氧氣，以減輕對鍋爐的腐蝕?！?/p>

“聯(lián)氨(肼)還是一種良好的火箭燃料呢。”

“在火箭燃料選拔大賽上，幾個聯(lián)氨小組上臺以后二話不說就沖進燃燒爐里，溫度猛地上升，旁邊的評委和觀眾都看呆了；隨后的稱重環(huán)節(jié)，更是把眾人驚了一跳——體重輕輕的聯(lián)氨小組竟然放出如此多的熱量！在之后的比賽里，聯(lián)氨更是以其出彩的特性獲得評委老師們的一致好評：燃燒產物為小分子，有助于形成高壓噴射；常溫下為液態(tài)，便于儲藏運輸；N2H4為弱堿，對設備的腐蝕性小……”

“聯(lián)氨小組的本事，真是大到‘上天’啦！”

“時間關系，只能簡要地介紹羥氨小組了。雖說有了氧的加入，但它與前面兩個小組仍是有一些相似的，比如弱堿性和一定的還原性。不過，與前兩者相比，它不太穩(wěn)定，需要在0 °C下保存[2]?！?/p>

“抱歉，協(xié)會今晚還有個會要開，先走了，改天再見。”

2.2.1.2 酸辦事處

那一晚的談話引起了大華對氮氏協(xié)會的興趣，他每晚都滿懷期待地入睡，希望能在夢中再次見到氮先生?？墒且贿B幾天過去了，氮先生都沒再次出現(xiàn)。感到失望的他決定自己讀書了解。當他翻到含氮酸的章節(jié)時，一股神秘的力量突然從書中沖出，將他的意識裹挾而去……一個熟悉的身影正微笑地看著他！

“大華，真是不好意思啊，這幾天我們的總部忙著搬遷，事情實在太多，這不，一有空，我就來了?！?/p>

“今天主要講與堿辦事處在水中產生‘相反’效果的酸辦事處。這次介紹其中的三個小組：硝酸、亞硝酸和疊氮化氫?！?/p>

“硝酸進入水中時，氫會選擇‘凈身出戶’，將電子留下，自己則以氫離子的形式活躍在溶液中，使溶液呈酸性。”

“除了酸性，氧化性也是硝酸突出的性質。濃硝酸具有強氧化性，能將金屬氧化。當硝酸在水中分布稀疏時，溶液的氧化性降低，還原產物的價態(tài)也降低，從NO2、NO、N2O變?yōu)镹2、。不過，如果HNO3小組過于分散，溶液就只顯酸性，幾乎不顯氧化性。”

“對了，說到氧化性，就不得不提到‘王水’，這是由硝酸和鹽酸按1 : 3的體積比組成的‘氧化者小隊’。他們感召能力極強，甚至能使Au、Pt這樣冷漠、小氣、懶惰的硬漢也獻出它們的電子：隊伍內部分工明確，唱紅臉奪電子的是硝酸，而氯離子唱白臉，‘擁抱’金屬離子?！?/p>

“不過，雖然硝酸在氧化性和酸性都表現(xiàn)不俗，但穩(wěn)定性卻不強，在光的刺激下會鬧分裂，變成NO2、H2O和O2。為了避免這種不愉快的局面，人類常常讓硝酸住在棕色玻璃瓶里，減少光帶來的刺激?！?/p>

“他們在工業(yè)上也有一席之地吧？”

“是的。硝酸在工業(yè)生產與科學研究中有重要地位，可以用來制取氮肥、甘油，也可以用來精煉金屬?！?/p>

“那亞硝酸呢？”

“亞硝酸里的氫也能出走，但電離率沒有硝酸那么大。在亞硝酸溶液中，不少氫離子剛從原小組中脫離，就與游離的亞硝酸根形成了新小組。不過，在任意時刻，都有一定數(shù)量的氫離子保持著自由狀態(tài)。”

“與硝酸不同的是，亞硝酸內的一個氧和氫在酸性環(huán)境中，容易接受氫離子的邀請，帶著一個電子從原小組中離開，與自由質子形成水。而原小組里的氮與氧繼續(xù)合作，成為帶正電荷的NO+。由于缺少電子，這對新組合具有一定的攻擊性，容易搶奪其他小組的電子形成NO，這也是酸性條件下亞硝酸具有氧化性的原理?！?/p>

“好高深的感覺！”

“這個小組還不怎么穩(wěn)定，受熱時易歧化分解，產生一氧化氮和二氧化氮。因此為了防止亞硝酸的分崩離析，制備時得將NO與NO2的混合物通入冰水中哦?！?/p>

“哦，得用筆記下來。”

“接下來，認識認識疊氮化氫，氮的氫化物中唯一的酸性物質。這些伙伴啊，對內對外都非常不團結，溫度稍微高點，就大吵特吵——產生劇烈爆炸，以后，氫原子們手牽手離開了，而我們協(xié)會的會員則在單質分會重新委派下形成氮氣小組?！?/p>

“酸辦事處的三大小組我就介紹到這里。你后天有空吧？那好，下一次分享定在后天吧。拜拜！”

2.2.1.3 鹽辦事處

結束完今天的訓練，大華回到了家。躺在床上，他回想起這兩次與氮先生會面的神奇經歷，心里充滿了興奮與期待，從包里翻出那天收起來的嗅鹽袋，一股熟悉的氣味沿著鼻腔沖進了他的腦?！斔犻_眼睛時，發(fā)現(xiàn)自己身處路邊，路的起點是那棟熟悉的寫字樓……

今天，我要去我們協(xié)會聯(lián)合其他元素協(xié)會舉辦的氮鹽展覽看看。一大早我就開著車出發(fā)了。突然，我發(fā)現(xiàn)不遠處的路邊上有個人影。待我駛近些，我才看出，原來是大華。

“大華，你怎么在這呀？哈哈，不出我所料，就知道你小子耐不住性子。來都來了，我?guī)闳サ}展覽看看吧。鹽辦事處涉及的項目眾多，所以我們設立了不同的科室來分管各個小組。路上我先和你講講疊氮酸鹽科的一點事情吧。”

“疊氮酸鹽科內各組組風都十分彪悍。重金屬的疊氮化物稍稍加熱就會爆炸，這也是Pb(N3)2可作為雷管引火物的原因之一；而堿金屬疊氮化物則好一些，在室溫下比較穩(wěn)定，不過受到加熱和撞擊的刺激時，也會分解。雖說如此，這個科室的一些小組常在最危急的時刻救人一命……”

話還沒說完，眼前路上一塊金剛石突然闖進視野！來不及反應，只聽一聲轟鳴響起，車內的安全氣囊“砰”地一下就彈開了……待到車身停止晃動后，我急忙轉向大華：

“你還好嗎？這可真是說曹操曹操就到?？纯茨忝媲暗陌踩珰饽遥抢肗aN3在撞擊之下會快速分解產生大量氮氣的性質制造出的產品。在汽車受到撞擊時，這些氮氣能夠迅速充滿氣囊，使我們獲得緩沖，防止由于沖力過大以及磕碰車身造成的身體損傷。所以說，沒有不好的性質，只有用錯的性質呀?！?/p>

“看來接下來這段路只能走過去了，就讓我邊走邊和你說說銨鹽科的一點情況吧。”

“銨鹽的一個重要特性就是它受熱易分解，非氧化性酸的銨鹽易分解為氨氣和相應的酸。比如嗅鹽中的(NH4)2CO3·H2O受熱可以釋放出氨氣，正是這濃烈的氨氣刺激了你的呼吸器官粘膜，使你的呼吸增強，讓你從缺氧帶來的昏厥中蘇醒過來[3]?！?/p>

“好東西！”

“而氧化性酸的銨鹽分解時，分解出的氨會被立即氧化，例如硝酸銨受熱分解產生的氨會被氧化成N2O。此外，由于這類銨鹽在分解時產生大量的熱與小分子，反應在密閉容器內進行時容易發(fā)生爆炸，因此這類銨鹽常被你們人類聘去作為炸藥呢。”

“展館到啦，讓我們先去看看硝酸鹽科的展覽吧！”

展板講述了硝酸鹽科的興起：在19-20世紀，出于生產需要，人類在印度、玻利維亞、意大利、西班牙和智利等國的礦床里開采出大量的硝石(硝酸鉀)和鈉硝石(硝酸鈉)，為我們的協(xié)會輸入了大量新鮮的血液……。

“互動區(qū)！”大華興奮地叫了起來。

“來，把樣品瓶里的各個硝酸鹽分別倒入下方對應的小水瓶里，發(fā)現(xiàn)了什么？”

“嗯……除了硝酸脲、堿式硝酸鉍外，其他都不見蹤影了?！?/p>

“是的。走，我們去看看硝酸鹽科的兄弟科室——亞硝酸鹽科的情況吧?！?/p>

科室牌上寫著亞硝酸鹽的概況：亞硝酸鹽科的小組一般都易溶于水(除特例AgNO2)……

“易溶于水的性質給出行提供了便利。但是，如果去了不該去的地方，這些小組也會釀成大禍，看大屏幕?！?/p>

展區(qū)屏幕滾動播放著：亞硝酸鹽小組在人體內旅行時，結合血液里的血紅蛋白，使高鐵血紅蛋白含量上升，但高鐵血紅蛋白無法和氧結合，因此會導致人體缺氧，使人四肢發(fā)冷，心跳加快，血壓下降。此外，亞硝酸鹽還是致癌物，它在人體內轉化產生的亞硝基化合物有絕大部分能誘發(fā)肝癌、胃癌、食道癌等癌癥。而在人體外，這種危險的轉化也會發(fā)生。當對蔬菜進行加工處理、長期儲存時，蔬菜和瓜果中的胺類、亞硝酸鹽在微生物參與下，會生成微量的亞硝胺……

“怎么樣，平常沒少吃腌制食品的你是不是感到有些擔心？沒事的，只要單次攝入量較小，人體是能夠自我調節(jié)的。不過還是盡量減少攝入。此外，為了阻礙或抑制體內亞硝胺的合成，多吃新鮮花菜、豆芽、白菜、大蒜、胡蘿卜、卷心菜、南瓜、桃、橙等食物也是有幫助的[4]。”

“我為這些小組對人體造成的損傷深表歉意，但也希望你們能合理看待它們，與我們一起，引導它們在建筑、紡織工業(yè)、金屬加工等領域發(fā)揮自己的作用。”

叮鈴鈴……我的手機響起。

“大華，幾位副會長找我有點事情，我得先走了。除了這兩個科室的展區(qū)以外，整個的展覽內容還有很多，你可以慢慢地逛一逛?；厝サ姆绞脚c來時一樣。明天中午12點，把書桌上的那個小瓶子放在冰水里，我們就能見面啦?！?/p>

2.2.1.4 其他辦事處

書桌上的小瓶子？回去以后，大華向書桌上看去——竟真有一個小瓶子，里面充滿了紅棕色的氣體。他疑惑地收回目光，躺回床上，睡著了……

嘀嘀……鬧鐘喚醒了大華。他看了看鐘——11:59！慌慌忙忙地從冰箱里拿出盛有冰水的杯子，將小瓶子放在水里，一段時間后，瓶子里的棕紅色竟消失了！就在這時，熟悉的聲音傳來：

“大華，今天要分享的是無機化合物分區(qū)的最后兩個辦事處——氧化物辦事處和鹵化物辦事處。這小瓶子里原先裝的，是多個氧化物辦事處的NO2小組。而冰水的低溫使得二氧化氮小組抱團形成四氧化二氮，瓶子里的氣體也就由棕紅色變?yōu)闊o色啦?！?/p>

“先來看看氧辦事處的幾個小組吧。聽說過‘笑氣’吧，就是N2O氣體，無色，微有好聞氣味，在水中有一定的溶解度。因吸入他后，人的面部受麻醉抽搐似笑狀而得名。”

“接著是一氧化氮，大量NO小組以氣體和固體的形式聚集起來形成的小組集群沒有顏色，不過聚集為液體時，就會顯淡藍色；被空氣中的O2氧化產生氣態(tài)下呈紅棕色的NO2，遇雨就會形成酸雨，釀成土壤酸化的惡果。為了防止酸雨的產生，人類正與我們合作，不讓NO和NO2小組從汽車的排氣孔、工廠的煙囪里跑出來?！?/p>

“另外兩個小組——三氧化二氮和五氧化二氮與酸的關系密切，是硝酸和亞硝酸的酸酐，對人體有很強的毒性，和它們打交道時，一定要戴好防毒面具、護目鏡和橡膠手套，穿好防毒服。”

“房間好像有點暗，讓我再多開幾盞燈?！?/p>

“砰”的一聲響起，只見一個透明盒子里幾縷紫煙緩緩升起……

“哈哈，是不是被嚇了一跳呀！這是我們和碘家族合作形成的小組——NI3。在干燥狀態(tài)下，羽毛的輕輕觸碰或光照的突然增強都能使它立即發(fā)生爆炸性的分解反應。它所在的三鹵化科以‘科風’暴躁昭名于整個協(xié)會。”

“相較而言，三氟化氮小組可以說是這個科室的‘理智擔當’了。雖說與水汽混合物遇到火花時會發(fā)生爆炸，但常溫下它不與水、稀酸和稀堿作用，也算比較穩(wěn)定了[4]?！?/p>

“除了三鹵化物科以外，這個辦事處也有別的科室，比如二鹵化物科、四鹵化物科等，代表小組有N2F2、N2F4等，在這里就不做進一步介紹了?！?/p>

“無機化合物分區(qū)的故事到這里就告一段落啦。明晚夢中，我會與你講一講有機化合物分區(qū)的故事！”

2.2.2 有機化合物分區(qū)

“還記得幾天前的這個時候，也是在你的夢中，我向你介紹了我們協(xié)會的概況，時間可過得真快啊。天下沒有不散的宴席，今天是我和你分享的最后一晚了。由于時間有限，有機物化合物分區(qū)又過于龐大，我就不像講無機化合物分區(qū)那樣詳細了，今天就隨意地和你聊一聊有機化合物分區(qū)里的一些小事，更多的關于含氮有機化合物的知識，就由你自己進一步的了解和探索啦?！?/p>

“我們氮在人體中占體重百分數(shù)的3%[4]，在人體所需的主要必需元素中排名第四。這與人體內大量的氨基酸、維生素和核苷酸有很大關系哈。在氨基酸組成的蛋白質中，如果按質量計算，氮約占蛋白質的15%[1]。此外，脫氧核糖核酸和核糖核酸的構建也有我們氮的參與，正是那一個個多種多樣的含氮堿基，為生命信息的編碼提供了最基本的單位?！?/p>

“這只是與人類體內密切相關的幾個小組，有機化合物分區(qū)還包括其他大量的含氮化合物小組，分別歸屬于氮雜環(huán)、腈、硝基化合物、含氮酯等辦事處。毫不夸張地說，有機物世界如果沒有我們氮氏協(xié)會的參與，其美麗與精彩不知道要遜色多少?！?/p>

2.2.3 配合物特區(qū)

“對了，差點忘了向你介紹配位化合物特區(qū)。在這個特區(qū)里，不論無機還是有機，不少小組都能作為配體，比如乙二胺、氨分子、乙二胺四乙酸、硫氰酸根等。形成的配合物小組也很多，比如由疊氮酸根作為配位體與鈉離子形成的Na2[Sn(N3)6]小組、CN-作為配體形成的Fe4[Fe(CN)6]3小組。此外，還有以氨為配體形成的玫瑰紅色的[Co(NH3)6]Cl2、黃色的[Co(NH3)6]Cl3、深藍色的[Cu(NH3)4]Cl2……”

3 后會有期

大華正沉浸在化學的海洋里，我不忍心地伸出手：

“幾天前，是嗅鹽讓我們相聚，成了好朋友，但我希望今后不要再用到它了，要訓練有度哈。同時，也希望我的分享能使你對氮氏協(xié)會有更深入的了解，把你的收獲分享給親人和朋友吧，讓更多的人了解氮氏家族，乃至所有118種化學元素的家族，奇妙的化學世界等待著你們去探索。時間關系，后會有期！”

從大華的夢境里抽身出來，我回到了辦公室，靠在書桌椅上，突然發(fā)現(xiàn)桌上的那枚雞蛋轉了一圈。我知道，那枚作為氮城投影媒介的蛋已經進入那個對化學充滿興趣的少年腹中。是時候再次出發(fā)了，我將進入那少年夢中，為他好好講講我們的故事……