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        氮氣堅固的化學鍵,是如何被擊破的?

        2021-10-15 20:38:33朱繼銀
        知識就是力量 2021年10期
        關鍵詞:豆科固氮氮氣

        朱繼銀

        氮(N),是地球上構成生命的必需元素,當兩個氮原子以三鍵結合時,會形成在常溫常壓下呈氣態(tài)的雙原子分子(N2)。氮分子中的N≡N鍵很牢固,導致它們的化學性質非常穩(wěn)定,所以大多數(shù)生物并不能直接利用這種形式的氮。那么,如何擊破這種堅固的化學鍵,讓氮為我們所用呢?

        “冒險小精靈”的穿梭之旅

        氮就像是愛冒險的小精靈,“偽裝”成各種樣子穿梭在天地間,最終又重新回到氮的形式,完成它的使命。

        在雷雨天氣時,氮氣和水中的氫會在雷電的作用下變成可以被植物(尤其是豆科類植物)利用的氨。這種氨被豆科類植物的根瘤菌吸收,然后轉化為豆科類植物生長所必需的氮。氮以這種形式進入植物后會在植物體內轉化成各種含氮有機物,其中最具代表性的就是蛋白質。

        人食用了含有蛋白質的植物或者動物后,會將蛋白質轉化為氨基酸并吸收利用,氮元素和人就有了直接聯(lián)系。通過人體的消化、吸收、排泄等一系列過程,氮元素會重新回到自然界,繼續(xù)參與循環(huán),這樣就完成了基本的人體與大氣之間的氮循環(huán)。

        氮氮三鍵:緊緊拉著放不開

        自然界中的氮多以氮氣的形式存在,但是氮氣實際上很難參與化學反應,化學家認為它是惰性分子。

        氮氣化學性質很不活潑,與它的分子結構直接相關。2個氮原子以三鍵的形式結合成為氮分子,三鍵的存在讓2個氮原子像磁鐵的兩極一樣緊緊地結合在一起,不愿與別的原子“做朋友”。

        ?固氮方式示意圖

        氮氣也有“天敵”:固氮酶

        要想利用氮氣,就需要將它轉化為氨氣(NH3),這個過程被稱為“固氮”。

        固氮方式主要包括生物固氮、工業(yè)固氮、高能固氮(即通過雷電作用固氮,又叫作電離固氮)。其中高能固氮量很少,在氨合成工業(yè)技術出現(xiàn)之前,基本都是靠生物固氮,這就要用到能將氮氣轉化成氨的固氮酶。

        固氮酶仿佛是氮氣分子的“天敵”,一旦遇到固氮酶,氮氣分子就會變成氨。固氮酶的構成元素主要包括鐵(Fe)、硫(S)、鉬(Mo)和碳(C)。

        近日,美國麻省理工學院的研究人員創(chuàng)造了一個有3個鐵原子、4個硫原子、一個鉬原子,沒有碳原子的團簇(由幾個乃至上千個原子、分子或離子通過物理或化學結合力組成的相對穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體)。

        氨氣與鐵硫團簇發(fā)生化學反應示意圖

        他們發(fā)現(xiàn),當?shù)獨馀c這些團簇相遇時,氮氮三鍵堅固的連結,就會被“斬斷”。

        當然,在模擬氮氣與鐵硫團簇的結合時,研究人員遇到了一些挑戰(zhàn):當團簇在溶液中時,它們首先會自身發(fā)生反應,而不是與氮氣結合。為了解決這個問題,研究團隊利用一種配體為原子簇創(chuàng)造了一個保護性的環(huán)境。研究人員將配體連接到每個金屬原子上,留有一個鐵原子,這是氮氣與原子簇的結合位點。因為有這些配體的存在,就能防止不必要的反應。

        這一發(fā)現(xiàn)可謂是“鐵硫團簇化學中的一個重要里程碑”,對于研究鐵硫團簇的科學家和生物無機化學家來說是一次重大進展。更重要的是,這一進展表明,鐵硫團簇具有豐富的化學特性尚未被發(fā)現(xiàn)。這項研究使我們能夠更加深入了解激活這種真正的惰性分子的機制。

        (責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 李子夜)

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