二氮分子的惰性

你此刻呼吸的空氣裡約有 78% 是氮氣 N2，可它幾乎什麼都不幹。你可以永遠待在滿是氮氣的房間裡，它既不與你反應，也不與旁邊的氧氣反應，對你能扔向它的大多數東西也無動於衷。這很奇怪：作為元素的氮對一切生命都不可或缺（每一個蛋白質、每一條 DNA 裡都有氮），可它最豐富的存在形式——空氣本身——卻是我們已知最不活潑的物質之一。

原因在於把兩個氮原子連在一起的那根鍵。在 N2 中兩原子以三鍵相連，N≡N，由一個西格瑪鍵和兩個派鍵組成，是整個化學裡最強的鍵之一，鍵解離能約為每莫耳 945 千焦。要讓 N2 反應，通常必須先打斷這根三鍵，而打斷它的第一步（從三鍵變成雙鍵）尤其昂貴。沒有什麼輕鬆的部分反應可走；這個分子坐在一個又深、壁又高的能量谷裡。再加上 N2 是非極性的，沒有容易被攻擊的孤對電子幾何，它填滿的分子軌域也沒給試劑留下明顯的下手處。所以它的惰性既來自動力學（反應慢，因為勢壘巨大），也來自整體熱力學。

這種惰性正是整個氮化學的核心難題。植物不能直接利用 N2——它們需要氨或硝酸根這類活潑形態的氮。在大規模上打斷三鍵，正是工業上哈伯-博施法（用高溫、高壓和鐵催化劑）所做的事，也是某些細菌體內固氮酶在常溫下所做的事，後者至今仍令化學家驚嘆。惰性的反面也很有用：N2 便宜、豐富、又如此不活潑，因此被用作保護性的覆蓋氣體，把氧氣和水汽隔絕於敏感材料和反應之外。