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《元素家族》
空气里最多的元素——氮
鲁超   
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氮元素在宇宙中的丰度有960ppm,排名第七,正如同它的原子序数,和重于它的氧:10400ppm相比实在不能算多。和其他很多更重或者更轻的元素一样,它的产生来源于恒星。

很抱歉,尽管我们已经进入氮的篇章,却还逃离不了碳的阴影,我们在说到氮的时候还得请出碳来。因为氮来源于恒星内部的碳氮氧循环(CNO Cycle):碳12原子核与一个质子(氢原子核)聚合生成氮13原子核,这是一种很不稳定的同位素,它很快发生β衰变,生成碳13原子核,碳13再碰到一个质子生成氮14原子核,这就是氮元素的主要由来。但是在CNO循环中,氮14原子核还继续反应下去,和一个质子碰撞生成氧15原子核,氧15也很快发生β衰变,生成氮15原子核,氮15再跟一个质子碰撞,这次生成一个碳12原子核和一个α粒子(氦4原子核)。

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【转了一圈,碳12还是碳12,但是这个循环相当于把4个质子(氢1原子核)变成了一个α粒子(氦4原子核)。碳、氮、氧原子核相当于是这个循环的“催化剂”。】


碳氮氧循环是美国的汉斯·贝特和德国的魏茨泽克分别发现的,20世纪初以前,科学家们一直被恒星的伟力所惊叹,究竟是什么样的能源才能够让太阳辐射出如此巨大的能量,照射到我们地球,温暖人间大地。一直到1926年,爱丁顿才提出,太阳的能源来自氢核的聚变。但是很快问题又来了,根据理论的推算,即使太阳的中心温度达到4000万度,氢核在这个温度下也很难聚变成氦核。一直到碳氮氧循环的提出,科学家们才终于意识到原来存在这么一种催化路径,帮助恒星的“燃烧”。

汉斯·贝特和魏茨泽克几乎同时提出CNO,但是当时的诺贝尔奖还没有开始将奖项分给几个人的习惯,加上后来汉斯·贝特又独立提出了质子-质子链,丰富了恒星理论,因此他独立获得了1967年诺贝尔物理学奖。

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【1967年诺贝尔物理学奖:汉斯·贝特,参加过曼哈顿计划,探索太阳能源之谜。】


众所周知,地球上氮元素在空气里以氮气的形式存在,而且是空气中最多的成分,占据78%的体积。不要小看这一点,氮气的这种存在对地球上的生命必不可少,如果没有氮气的填充,过分的氧气会让化学反应过于激烈,有可能让生命都难以长期存在。如果仅仅留下20%大气压的氧气,把氮气赶走,那么现存所有的生命将无法适应如此低的气压。

也就是说,每天围绕我们的四面八方都有氮的身影,它们和春风一起抚摸我们的面庞,它们随着呼吸进入我们的体内。但它们只是个过客,“轻轻的我走了,正如我轻轻的来,我挥一挥衣袖,不带走一片云彩!”说的就是氮气吧。

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【围绕我们的空气中最多的是氮气,我们每天都在跟它亲密接触,但是我们却浑然不知。】


这一切都是因为氮气的化学性质太不活泼了,木炭也好,蜡烛也好,都无法在其中燃烧。至于动物、植物,在纯氮气中也会窒息而死。当1772年苏格兰化学家卢瑟福从空气中分离出氮气的时候,由于无法支持燃烧,他将其命名为“有害气体”,并把它跟同样不能助燃二氧化碳混淆了。后来经过舍勒、卡文迪许、普利斯特里和拉瓦锡们的研究,才发现这是一种元素,他们的故事我们在“氧”的篇章里再细谈。

我国清末化学家徐寿在翻译的时候之所以给“氮气”起这么个名字,是因为他认为它“冲淡”了空气。

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【氮元素的发现者:卢瑟福。】


氮气的这种不活泼性让它适用于在各种情况下用做保护气,而且由于氮气在空气中就有,因此它绝对是最便宜最经济的保护气,在工业、电子、医疗、化工领域被广泛应用,在我们身边,快要被淘汰的白炽灯泡里面填充的就是氮气。

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【氮气填充作为保护气氛在很多地方都可见,白炽灯就是其中一例。】


啤酒在生产过程中需要避免被氧化,所以需要氮气气氛的保护。最近有人将氮气和二氧化碳混合到一起,充入啤酒内,据说这样的啤酒更加顺滑和令人陶醉,深得英国汉子的喜爱。

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【啤酒生产过程中的氮气保护,和啤酒中冲氮是两回事,后者纯粹是噱头,至少我喝不出来。】


近年来,4S店给土豪们提供一种冲氮气服务,据称因为氮气更加惰性,所以会让轮胎避免被氧化因而寿命更长,另外由于填充了氮气,在发生事故的时候会更加安全。商家们还会给土豪们展示:你看,飞机、F1赛车的轮胎都是填充氮气的!

其实,飞机、F1赛车的轮胎之所以填充氮气,最大的原因是因为氮气比空气轻一点,但是仅仅是一点点,一个标准的小车轮胎如果填充氮气的话,只会轻三十克,对于飞机和F1赛车来说是能轻则轻,但是对于我们家用车来说实在是没必要。另一方面则是因为氮气的分子比氧气分子大一点,所以渗透率会低很多,也就是说漏气会更慢一点,其实对于我们家用来说这一点实在是无所谓。

想想也很容易理解,空气其实就是78%含量的氮气,为了提高那22%得付出那么大的成本实在是不值得。当然我们这里是给草根百姓做的理性分析,立志将自己的豪车打造成F1的土豪们请无视。

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【给自己的小车冲氮是一种土豪行为,学习科学,避免被宰。】


氮气虽然对于大多数物质惰性,但是对于某一些物质还是需要慎用它来做保护气的,比如锂、镁,在氮气中燃烧的那个热烈啊!

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【镁在氮气中剧烈燃烧。】



小测试:

1, 氮元素是第(   )号元素

A)5

B)6

C)7

D)8

2, 汉斯·贝特因为发现的碳氮氧循环而荣获了1967年诺贝尔(    )奖

A) 和平

B) 化学

C) 物理

D) 生物

3, 空气中最多的成分是:

A) 氮气

B) 氧气

C) 二氧化碳

D) 惰性气体

-完-
我要评论
小分子团水 2018-01-24 11:34
作为一个化学系本科生,所学的知识都是非常专业性的,科普性不足。元素家族以幽默风趣的讲述方式,以化学元素为基本来讲述化学对人类、对社会方方面面的影响,十分不错!
钱一二 回复 小分子团水 不错
2018-02-26 15:41 回复
笑笑 2017-12-28 20:32
个人一点心得愚见,算几点体会:文章节奏特别稳当,彰显了作者深厚的文字功底和隐藏的相关知识的广博,文中俏皮地使用了一些幽默的句子,还选定了化学元素这一主题,非常契合学生业余生活的需要,引导大家深入记忆这些元素。另外跟本人正相反,使用了大量图片,这些图片本人仔细研究了一下,不是从网上复制的,而且图片整体效果规整,高人耶~
科普作品
元素家族
| 目录  (共17章)
评委点评 评语汇总

虽然,化学元素的科普,是一个很老的题材。但作者显然将最新的科研进展,融合到化学元素的科普中,时效性、时代性都很强。 写作风格幽默风趣,配图恰当,适合手机、网络等新媒体传播。

2018-01-08 20:01 郑永春 ——

全作以较为通俗的语言讲述了,十种元素从发现,到部分生活中的实际应用等方面的内容,从文字角度应该是不错的作品,老少皆宜。但在选取图片上,感觉部分图片选取的质量不高,需要改进。

2018-01-10 13:37 匿名 ——

一篇内容非常丰富的科普文章,相信如果不限制字数的他作者完全可以把现在所有已知元素全部写一遍。而且文中的科普内容不光是这些元素的化学性质,还有他们奇妙的特性以及科学家们发现他们的故事。可以勾起读者继续把他读完的欲望。而且据我所知作者鲁超自己也在运营一个科普相关的公众账号,这种不计回报的科普精神值得学习。

2018-01-24 15:39 匿名 ——

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