元素周期表系列：第7号元素——氮元素
张磊
博士科普元素团队
地球大气中含量最多的成分是氮气；液态氮有望开发实现人体的冷冻保存技术。
氮是什么样的一种元素呢？
博科小答：氮的原子序数为7，化学符号是N。氮气是其在自然界中最普遍的形态，标准状况下，其无色无味无臭，不支持燃烧的惰性气体。氮占空气体积的78.09%，是地球上含量最多的气体。
在一个大气压下，分子氮在-195.79摄氏度时液化，在-210.01摄氏度下凝固。液氮是常用的制冷剂，用途广泛，有望开发实现人体的冷冻保存技术。
氮原子有5个最外层电子，所以最高化合价为+5价。氮气分子的三键结构十分牢固，因此无论是工业中还是生物体内，将N2转化为有用的含氮化合物都不容易。工业中，氮的化合物有氨、硝酸、有机硝酸盐、氰化物和克维拉纤维等。大多化学药品中都含有氮元素。生物体内，氨基酸（以及蛋白质）和核酸（DNA和RNA）都含有氮元素。人体中氮元素重量占3%，仅次于氧元素、碳元素和氢元素。
氮元素怎么发现的？
博科小答：瑞典人许勒（Carl Wihelm Scheele）在燃烧钾硝石（KNO3）制造氧气时，证明空气由氧气和另外一种不活泼的成分构成。
科学界公认的氮的发现者是苏格兰化学家卢瑟福博士（Daniel Rutherford）。1772年，他在爱丁堡大学读书时，博士论文研究的是含碳的物质在密闭容器中的燃烧。除去容器中生成的二氧化碳，发现里面还残余另一种物质。卢瑟福博士发现，剩余的气体极其不活泼，也不能燃烧或助燃，并且能让老鼠窒息死亡。这种气体占空气的五分之四，被取名为有毒气体（Noxious Air）。
法国科学家拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）称氮气为“Azote”（窒素），其为希腊文，原意是“不能维持生命”。
我们现在使用的Nitrogen（氮气）这个名字是由法国化学家察普塔（Jean-Antoine Chaptal）在1790年命名的，意为“由硝石产生的”。
死亡“暂停”：液氮罐里的阴阳穿越
博科小答：科学日报报道，2017年5月8日凌晨4时1份，中国首例人体冷冻实验由山东银丰生命科学院和山东大学齐鲁医院的临床专家完成。2000升的液氮罐内，-196摄氏度的极低温，耗时55小时。 目前棘手的问题是冷冻过程中，会产生冰晶，其会破坏细胞膜，损坏机体功能，充足的冷冻液和冷冻程序会尽量减少冰晶带来的损伤。科学家目前可以将冷冻的细胞冷冻几年，复苏之后仍然可以保持活性；组织冻存及复苏的工作也正在积极研发；而人体动物的冻存技术尚未成熟，复苏实验仍然停留在探索阶段。也许未来的某一天，正如科幻电影《复生实验》、《星际穿越》所述一样，人类可以从冷冻状态进行复苏。
图一：人体冷冻前的准备工作
液氮冷冻金鱼：“死而复活”
博科小答：看完人类的首例液氮冻存，有些同学肯定会想起网络中流传的视频：液氮冻存金鱼数十秒，金鱼被冻成僵硬的状态，但放在水中一分钟左右，金鱼又欢乐的游起来。死而复生，不免让人惊叹，那人是不是也可以呢？
很多动物都会冬眠，使其新陈代谢变慢，虽然比人类更耐低温，但也有低温死亡线。当体内的水冻结时，会因为产生冰晶，破坏细胞，从而损伤组织。理论上，在低温急速冷冻的状态下，水分子还未结成冰晶就已经冻结，避免了细胞的破坏。
其实实验本身，我们只看到了开头，没猜中结局。经过多次实验，金鱼确实在液氮冻存之后“复活”了，但是由于冷冻过程不够迅速，还是造成了部分组织的损坏，导致这些金鱼在一天之内就死亡，这在视频中无从展示。
薯片满满一袋，为何那么少？
博科小答：大家有没有一个经历，买回来的满满一大袋薯片，打开一看，“咦？怎么这么少，是被谁偷吃了吗？”其实并没有。在制造商生产薯片的时候，会加入氮气，因为氮气是惰性气体，延缓食品变质，从而可以存放更久。同样的很多罐头里面也会充氮气来延长食品的保质期。
氮循环：雷电的力量
前面讲到氮气很难跟其他物质反应， 雷电是氮氧化合物在自然界中形成的主要途径之一。雷电周边会产生极高温度，提供足够的能量，可以使氮分子的两个氮原子分离，自由的氮原子可以被氧化形成NO和NO2：
N2 + O2 —– 2NO
2NO + O2 —- 2NO2
NO2会溶解在雨水中，进入土壤。另一方面一些固氮菌吸收氮气分子，通过酶使其转化成含氮化合物被植物吸收，实现氮的固定。
彩色的氮
极光（Polar light）是出现在地球的高磁纬度地区上空的发光现象，比如加拿大Yellow Knife小镇的极光美景。
图二：夜空中的极光
极光的形成原因是什么呢？大气中的分子或者原子在被来自太阳的高能带电粒子流激发后，会将能量吸收，形成高能粒子。但是被激发的粒子并不会一直保持这样的高能状态，它能释放出一定的能量的光子，回到稳定的基态。因为不同激发态粒子的能量不同，释放光子的能量和波长也不同所以哪些气体吸收这些高能粒子能量决定了极光的颜色。如果氮原子在离子化后重新得到电子，会释放蓝色的光，否则直接回到基态，会发出红色光。而氧气会释放绿光或者棕红色的光。
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参考文献
2科技日报 死亡“暂停”：液氮罐里的阴阳穿越http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2017-08/14/content_375890.htm?div=0
3https://www.youtube.com/watch?v=BwQ_56gNFho
4Wikipedia Yellowknife
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