氮氣堅固的化學鍵，是如何被擊破的？

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定，所以大多數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，繼續參與循環，這樣就完成了基本的人體與大氣之間的氮循環。

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，在氨合成工業技術出現之前，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定的微觀或亞微觀聚集體）。

氨氣與鐵硫團簇發生化學反應示意圖

他們發現，當氮氣與這些團簇相遇時，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：當團簇在溶液中時，它們首先會自身發生反應，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造了一個保護性的環境。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。

這一發現可謂是“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現。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）