二氮分子的惰性

你此刻呼吸的空气里约有 78% 是氮气 N2，可它几乎什么都不干。你可以永远待在满是氮气的房间里，它既不与你反应，也不与旁边的氧气反应，对你能扔向它的大多数东西也无动于衷。这很奇怪：作为元素的氮对一切生命都不可或缺（每一个蛋白质、每一条 DNA 里都有氮），可它最丰富的存在形式——空气本身——却是我们已知最不活泼的物质之一。

原因在于把两个氮原子连在一起的那根键。在 N2 中两原子以三键相连，N≡N，由一个西格玛键和两个派键组成，是整个化学里最强的键之一，键解离能约为每摩尔 945 千焦。要让 N2 反应，通常必须先打断这根三键，而打断它的第一步（从三键变成双键）尤其昂贵。没有什么轻松的部分反应可走；这个分子坐在一个又深、壁又高的能量谷里。再加上 N2 是非极性的，没有容易被攻击的孤对电子几何，它填满的分子轨道也没给试剂留下明显的下手处。所以它的惰性既来自动力学（反应慢，因为势垒巨大），也来自整体热力学。

这种惰性正是整个氮化学的核心难题。植物不能直接利用 N2——它们需要氨或硝酸根这类活泼形态的氮。在大规模上打断三键，正是工业上哈伯-博施法（用高温、高压和铁催化剂）所做的事，也是某些细菌体内固氮酶在常温下所做的事，后者至今仍令化学家惊叹。惰性的反面也很有用：N2 便宜、丰富、又如此不活泼，因此被用作保护性的覆盖气体，把氧气和水汽隔绝于敏感材料和反应之外。