雜說生活中的氮

馮大誠

我們每時每刻所接觸到的外界原子，氮原子毫無疑問是最多的。因為在空氣中，氮氣體積占比約78%，氧氣體積占比約21%（一般情況下，氣體體積占比多少，就是分子個數占比多少）。氮氣和氧氣都是雙原子分子，即一個分子中有兩個原子。

人體主要由20多種化學元素組成，加上微量元素則有60多種。按質量排列，前6位的元素分別是：氧65%、碳18%、氫10%、氮3%、鈣1.5%、磷1%，其余元素加起來也不到1.5%。如果不計人體中水的成分，則碳元素最多，占48.4%，畢竟有機化合物的骨架是碳鏈；氧元素占23.7%；第三位就是氮元素，占12.9%。人體組織最主要的成分是蛋白質，蛋白質是一種多聚體，其單體是氨基酸，氮元素就在氨基酸里。

雖然我們每時每刻都在呼吸，但是呼吸過程只涉及氧氣和二氧化碳的交換，與氮氣無關。也正因為如此，清代的徐壽把它翻譯成淡氣，后來寫為氮氣。我們體內的氮元素是從食物—動物性食物和植物性食物—中獲取的。歸根結底，氮元素還是要從植物那里取得。那么，植物生長需要的氮元素又是從哪里來的呢？

有人會說，植物從土壤中吸取氮元素，所以才需要給土壤施氮肥。那在沒有施氮肥之前，甚至人類出現之前，土壤中的氮元素來自哪里？

雖然氮元素在空氣中占絕大多數，但在地殼中氮元素的含量很低，只排在第41位，比被稱為“稀土元素”的鈰、釹、釔、鑭等還要稀少得多，只有很少的地方有硝酸鹽礦藏。土壤中的氮元素有兩個主要來源：一個來源是雷電引起氮氣氧化，以硝酸形式隨雨水降下，在土壤中留下硝酸鹽；另一個來源是能夠利用空氣中氮元素的固氮微生物。億萬年來，雷電和固氮微生物使土壤中有了越來越多的氮元素，使植物能夠逐漸生長起來。食草動物吃植物，食肉動物吃食草動物……動、植物死亡腐爛后，一部分氮元素又留在土壤中。

過去，含氮的肥料是很缺乏也很寶貴的，人體糞便和尿液中的氮元素都容不得浪費。直到20世紀初，合成氨工業的興起才一舉破解了氮肥缺乏的問題。合成氨就是把氮氣和氫氣在催化劑的作用下化合生成氨。

氮是元素周期表中的第7號元素。氮原子核外有7個電子，其中2個是內層電子，不參與化學反應，5個是價電子。氨分子的結構是這樣的：氮原子3個價電子分別與氫原子成鍵，另外2個價電子形成一對孤對電子（如下圖）。我們可以把氨分子視為氮原子伸出3只“手”分別與氫原子成鍵，形成一個三角錐形的分子，氮原子的“背上”則背著一對孤對電子。

從下圖中我們還會發現，如果不存在3個氫原子，而存在另一個氮原子，也伸出3只“手”，同樣也能成鍵—兩個氮原子就形成一個氮氣分子。當然，我們也可以用兩個氮原子分別形成一個σ鍵和兩個π鍵來解釋氮氣分子。這樣形成的氮氣分子是一個具有非常穩定結構的惰性分子。也正是因為氮氣分子的穩定和惰性，致使絕大多數氮元素只以單質形態存在于大氣中，而很少以化合物形態存在于地殼里。

如果氨分子中的氫原子被其他有機基團（例如烷基、羧基、苯基、羥基等）取代，或者說氨基與其他有機基團相連，就稱為胺。例如，氨分子中的一個氫原子被甲基取代，就是甲胺；兩個氫原子被甲基取代，就是二甲胺；一個氫原子被苯基取代，就是苯胺……如此可以形成許多胺類有機化合物。例如，苯胺及其衍生物囊括了一系列染料、藥物、農藥等。

這樣，我們就認識了氨、胺、銨三個字，對應的英文分別是ammonia、amine和ammonium。至于讀音，很多人都會讀作ān。其實，確切讀音是ān、àn和ǎn。

含氮的化合物名稱易出現讀音問題的還有一對：氰和腈。把氮氣中的一個氮原子換成碳原子，由于碳原子比氮原子少一個電子，這樣形成的基團被稱為氰基（-CN）。氰基中的碳原子與氫原子成鍵，就形成了氫氰酸（HCN）。氫氰酸及其鹽，如氰化鉀、氰化鈉，都是毒性很強的化合物。在某些果核如苦杏仁、生銀杏中，往往含有少量的氫氰酸類化合物，生食這些果核，可能會引起兒童中毒甚至死亡。如果氰基的碳原子與烴基相連，這樣的化合物被稱為腈。最有名的腈類化合物是丙烯腈，是氰基與丙烯基相鍵連。丙烯腈可以聚合形成聚丙烯腈，它的商品名是腈綸。腈綸纖維保暖性能好，被稱為人造毛。過去認為它吸水性能不好，如今紡成超細的纖維，其吸水性能非常好。氰讀作qíng；腈可能很多人都會讀錯，它讀作jīng。而且，腈是一個原來就有的古字，意思是精肉。

回過頭來繼續說氨。氨基與羧基以及其他有機基團相連，就形成氨基酸。例如，乙酸上的一個氫原子被氨基取代，就形成了結構最為簡單的一種氨基酸—甘氨酸（氨基乙酸）；丙酸中一個氫原子被氨基取代，就成了丙氨酸；戊二酸有5個碳原子，兩頭都是羧基，第二個碳原子上的一個氫原子被氨基取代，就形成了谷氨酸。谷氨酸的鈉鹽就是味精。

蛋白質就是由氨基酸縮水而聚合起來的。在消化道里，蛋白質又水解成了氨基酸，被人體吸收。人體內蛋白質的種類很多，性質、功能各異，但都是由20多種氨基酸按不同比例和次序組合而成的。這些氨基酸有的可以由人體自己合成，還有8種氨基酸則必須從食物中取得，被稱為必需氨基酸。

在食物中，8種必需氨基酸都齊全的蛋白質被稱為完全蛋白。比例最合適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黃蛋白，肉中的白蛋白和肌蛋白次之，這些都是最好的蛋白質。大豆蛋白也是完全蛋白，但是吸收率比上面所說的幾種要差一些。像米、面、蔬菜、肉皮、筋等含有的蛋白質一般都是不完全蛋白，也就是說會缺乏這種或那種氨基酸。所以，我們吃得要盡量雜一些，讓各種蛋白質、氨基酸相互取長補短。