同學 你知道嗎？ 生物體內的胺基酸、蛋白質和核酸等物質 都含有前一單元所提到的氮元素 如何使空氣中的氮被生物體利用 成為附加價值更高的含氮物質？ 在日常生活中 或是學校實驗室裡 常見的含氮化合物有哪些呢？ 這個單元就讓我們來認識這些含氮化合物吧！ 因為氮氣分子是十分安定的物質 因此大多數生物體沒辦法直接利用 自然界固氮的方式主要有兩種 其一為閃電 其二是固氮細菌的作用 閃電的巨大能量 可以使大氣中的氮分子斷鍵 再與氧分子反應產生氮的氧化物 例如一氧化氮、二氧化氮或一氧化二氮 接著這些氮氧化物溶於雨水 生成亞硝酸根及硝酸根而滲入土壤中 但是每年經由閃電所得的含氮化合物 頂多只占總量的10％ 固氮細菌的作用才是利用空氣中氮氣最重要的途徑 借助含有根瘤菌等具固氮能力的豆類植物 它們能將氮氣分子 轉變成氨及銨根離子 其每年作用所得的含氮化合物 約占總量的65％。 首先 讓我們來認識氨： 氨在常溫下是一種無色、有強烈的刺激性臭味的氣體 密度比空氣小 易溶於水 氨溶於水的反應式如畫面所示 水溶液呈弱鹼性 俗稱「氨水」 稀釋後可當作清潔劑或急救用的嗅劑 也有醫治蟲螫等功用 氨氣與氯化氫氣體結合 可產生白色的氯化銨固體煙霧 其反應式如畫面所示 接著我們來介紹氨的用途： 氨為製作化學肥料的重要原料 例如尿素、硫酸銨等氮肥 氨與硫酸生成硫酸銨的反應如畫面所示 這些氮肥使得農作物能在短時間內快速生長 紓解許多國家的糧食危機 氨也是製作許多藥物和清潔用品 直接或間接的組成成分 例如：製備硝酸、玻璃清潔劑的初始原料都有氨 現今各國積極開發新能源 又想達到減少碳排放的目標 有科學家研究指出 「氨」作為燃料不會產生二氧化碳 是未來能源轉型、減少化石燃料使用極重要的選項 相較於氫氣 氨可能是較經濟且可行性更高的選擇 再來我們要來瞭解氨的來源： 在自然界中：如影片前面所言 固氮細菌作用產生氨氣 在工業界中： 最常見的工業製程為哈伯法製氨 其反應式如畫面所示 隨著科學家對固氮酵素的瞭解 相信將來有機會發展出新的催化劑 來取代目前極耗能源的哈柏法以大量取得氨氣 而在實驗室中： 利用氯化銨與氫氧化鈣共熱可產生氨氣 其反應式如畫面所示 生成的氨氣再利用向下排氣法收集 並可以潮濕的紅色石蕊試紙遇到氨氣呈藍色 或濃鹽酸揮發出的氯化氫氣體 與氨氣反應生成白色煙霧的氯化銨等方式 來檢驗氨氣的存在 再來認識硝酸 硝酸具強氧化力 是無色、有刺激性氣味的強酸 硝酸受光線照射會分解成二氧化氮 反應式如畫面所示 使溶液呈現淡黃色或褐色 因此硝酸應以深褐色的玻璃瓶盛裝 硝酸可氧化大部分的金屬 除了金及鉑等少數活性很小的金屬無法被氧化 特別要注意的是 濃硝酸、稀硝酸和金屬銅反應時 會產生不同的氣體生成物 其反應式如畫面所示 而硝酸與金屬鋅反應時 不會產生任何氣體 其反應如畫面所示 硝酸可作為製造氮肥的原料 如合成硝酸銨 硝酸可用於製造炸藥； 硝酸可溶解活性極小的金屬： 將濃硝酸與濃鹽酸以體積比1：3混合而成的液體 俗稱王水 可溶解金或鉑等活性極小的貴金屬鹽 工業上： 使用奧士華法來製造硝酸 以氨與氧氣為原料 鉑－銠合金作為催化劑 其反應過程如畫面所示： 第一步驟是氨與氧氣反應生成一氧化氮和水 第二步驟為一氧化氮與氧反應生成二氧化氮 第三步驟為二氧化氮與水反應生成硝酸與一氧化氮 最後一個步驟所產生的一氧化氮 可回收至第二步驟作為反應物繼續重複使用 而在實驗室中 是以硝酸鈉與濃硫酸加熱來製得硝酸 其反應式如畫面所示 由於濃硫酸沸點很高 所以較適合被用來製備其他的酸 最後認識硝酸鹽、亞硝酸鹽 硝酸鹽存在於天然食物中 尤其是蔬菜裡面 例如：菠菜、甜菜根、白蘿蔔及莧菜 人類主要是經由攝食蔬菜而吃入硝酸鹽 硝酸鹽本身是沒有毒性的 但在身體代謝後的產物可能含亞硝酸鹽 也就可能對健康造成危害 不過 蔬菜提供良好的膳食纖維、維他命和礦物質 可以提供人體所需營養 有助於預防多種病症 因此 綜合其優缺點 建議攝食方式為： 保持均衡飲食 切勿偏食 在蔬菜烹煮前 確實清洗、去梗、剝去皮 並在切開或磨碎後 盡早烹煮 天然食物中亦含有亞硝酸鹽的成分 例如每公斤的白色花椰菜中 就含有3.49毫克的天然亞硝酸鹽 人工添加的亞硝酸鹽通常是用作肉類加工製品的防腐劑 例如：火腿、熱狗、臘肉等 可使肉類呈紅色 且有殺菌作用 但有添加亞硝酸鈉的肉類烹煮時被燒焦 易產生致癌物 其用量須受管制 將等體積的一氧化氮與二氧化氮混合氣體通入鹼性溶液中 可製得亞硝酸鹽 其反應式如畫面所示 讓我們來整理一下這個單元學到的觀念： 氨是無色、有強烈的刺激性臭味的氣體 密度比空氣小 易溶於水 水溶液呈鹼性 氨可製尿素、氮肥、清潔劑、硝酸 工業上是在高溫高壓以哈柏法製氨 實驗室是以氯化銨與氫氧化鈣共熱可產生氨氣 並以潮濕的紅色石蕊試紙或濃鹽酸檢驗氨氣的存在 硝酸： 1. 硝酸是具強氧化力的強酸 受光照射會分解成二氧化氮 使溶液呈現淡黃色或褐色 反應式如畫面所示 2. 除了金及鉑等少數活性很小的金屬以外 硝酸可氧化大部分的金屬 3. 硝酸可作為製造氮肥、炸藥的原料 可與鹽酸製備出王水 4. 工業上是以奧士華法來製造硝酸 實驗室則以硝酸鈉與濃硫酸加熱來製得 同學們 看完本單元 你是否已經認識「氮化合物」的相關知識了呢？ 歡迎到留言區與我們分享你的學習心得喔！ 我們下次再見