n2是什么气体?_乌鲁木齐大火原因调查

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说到火药，就不得不提一个人，药王孙思邈。对，就是把老老虎当宠物养的那个。

《诸神炼丹术》卷五中记载，孙思邈的《硫磺炼丹术》中掌握了硝石、硫磺、木炭混合的火药配方。

唐人很快在生活中把火药付诸实践。唐朝中后期，投石机飞出来的不再是石头，而是火药。把火药做成球，用投石机飞出去。后来，火药首先传入阿拉伯国家，再传到希腊、欧洲乃至全世界。它促进了人类社会的文明和进步，推动了经济、科学和文化的发展。因此，“火药”也被称为中国四大发明之一。

自从人类发现了火药的威力，对高性能火药的追求就从未停止过。

1771年，英国的P. Wolfe合成了苦味酸，这是一种黄色晶体，原本是作为黄色染料使用的(注意这一点，说明其生产并没有受到所谓“黑火药”的影响，是偶然发现的，这也标志着黄色炸药正式取代了黑火药)。后来发现了它的爆炸功能，十九世纪在军事上广泛用于装填炮弹。

1846年，意大利化学家A. Sobre将一半甘油滴入一种硝酸和两种浓硫酸的混合物中，首次制备出硝化甘油。硝化甘油是一种强烈的液体炸药，稍有震动就会剧烈爆炸，因此具有危险性，不宜生产。1862年，瑞典的诺贝尔(A.B. Nobel)用“温法”研制出硝化甘油的安全生产方法，使其能够安全批量生产。

后来，诺贝尔用硝化甘油代替乙醚和乙醇，制成了类似的无烟火药。他还在达那炸药中加入硝酸铵，替代部分硝化甘油，制成更安全、更廉价的“特种达那炸药”，又称“特强黄色粉末”。

至今，RDX、TNT及相关混合装药共同称霸炸药领域的半壁江山。但人类对炸药的追求从未停止。

目前以化学能为基础的含能材料已经到了瓶颈，高能量密度炸药成为科学家探索的新方向。而超高能量密度材料的标准，只有金属氢、总氮、异构态才能满足。

含能材料是含有爆炸基团或氧化剂和可燃物的化合物或混合物，能独立进行化学反应并输出能量。它是军用炸药、推进剂和火箭推进剂的重要组成部分。

氢本身是一种能量巨大的燃料。常温下是气体，低温下是液体，温度降到零下259℃时是固体。如果对固态氢施加几百万个大气压的高压，它就可能变成金属氢。地球自然界没有金属氢。预计液态和固态金属氢只有在木星和土星核心的强大压力和低温下才会存在。

氢是一种高密度高能量的存储材料，还可能具有高温超导性。它储存了巨大的能量，理论上比普通TNT炸药大30-40倍。这种威力单独当炸弹用已经很厉害了。如果能用于战术氢弹的初级阶段，替代原有的核裂变材料，其威力不可小觑，因此被美国科研人员视为制造“亚核”武器的理想之选。

到目前为止，只有美国哈佛大学实验室声称已经成功制造出金属氢。然而，由于操作失误，样品于2017年2月22日消失。然而，哈佛大学实验室的这一成果在各国科学界仍有争议，许多机构认为哈佛伪造了这一实验。

另外，金属氢一次还在微克级别，而且还是极其昂贵的仪器——钻石砧，所以可能离实用还很远。

金刚石对钻金刚石反钻

总氮物质主要包括离子氮、共价氮和聚合氮。随着研究的深入，人们对总氮结构的认识也在不断提高。全氮超高能含能材料(炸药)的能量可达TNT的3倍以上，具有高密度、高能量、清洁无污染爆轰产物(爆炸产物为氮气，无污染)、稳定、安全的特点。理论上总氮的能级可达10.4 ~ 10.5焦耳/克。

全氮物质相关材料的研制成功，有望在炸药、火箭推进剂、新一代无污染氢弹等领域产生惊人的发展。它甚至可以用来制作科幻电影中的“N2炸弹”。

但是，人们对总氮的认识并没有深入的进展。1772年N2从大气中分离出来后，直到1890年柯蒂斯和拉登豪森才发现了第一个总氮离子N3-，但从那以后，其他与总氮有关的研究就停止了。第二次世界大战后，相关总氮化合物的研究得到了极大的重视:在合成方面，1956年首次合成了用于制备总氮离子的前驱体芳基五唑，总氮化合物的理论计算得到了进一步的发展。

1998年，美国科学家卡尔·克里斯特(Carl Crist)合成了一种叫做“N5+”(即总氮阳离子)的物质，这种物质炸毁了一个通风柜，也被称为“盐弹”，就像盐粒一样大小。让人类第一次看到了纯氮物种的力量。这是化学史上自N3-百年以来第一次获得N5粒子，也是有史以来第三次分离出总氮物质。

被炸毁的实验室被炸的实验室

然而，人们一直未能稳定地制备总氮阳离子。此后，关于总氮化合物的研究进展几乎为零。

全氮阳离子总氮阳离子

然而，中国科学家南理工大学胡秉诚教授成功合成了世界上第一个总氮阴离子盐(N5-)。这也意味着中国未来的军事实力将很可能与周边形成代差。

因为没有找到胡炳成教授的照片，所以放一个南京理工大学的牌子因为没有找到胡秉诚教授的照片，就挂了个南京理工大学的牌子。

全氮阴离子盐(N5-)合成的最大难点是五元氮环不稳定，即使是弱氧化剂也能引起其分解。我们在文章中讨论过，Fe3+会导致氮氮键断裂，这也是国内外科学家一直无法切断C-N键，保持五元氮环完整性的原因。这是一个困扰科学界半个世纪的难题！

胡秉诚教授团队创造性地使用间氯过氧苯甲酸和甘氨酸亚铁分别作为切割试剂和助剂，通过氧化裂解首次成功制备了室温下稳定的总氮阴离子盐。热分析结果表明，该盐的分解温度高达116.8℃，具有很好的热稳定性。

全氮阴离子盐 图源：知乎 博丽灵梦总氮阴离子盐来源:博丽灵梦，芷湖

胡秉诚教授说，总氮阴离子盐中的N5ˉ离子具有环状结构，5个氮原子上的电子离域共轭，使得N5ˉ离子环具有一定的芳香性。而之前美国合成的总氮阳离子N5+是链状的，所以总氮阴离子的稳定性比总氮阳离子好。

另外，在合成方面，总氮阴离子盐具有实验操作简单、原料安全、无毒无腐蚀性的优点，而总氮阳离子的合成需要使用毒性和腐蚀性都很高的氢氟酸。

合成路线以及同位素标记的产物合成（图源：知乎 博丽灵梦）合成路线及同位素标记产物合成(来源:博丽灵梦、知乎)

总氮阴离子盐的爆炸能量可达TNT炸药的3-10倍，最高可达25-35倍。爆速从每秒9000米提高到每秒14000多米，爆压从30到40吉帕斯卡提高到90吉帕斯卡。

作为广岛原子弹引发临界核裂变效应的“导火索”，八角的爆炸能量只有TNT威力的1.7倍。如果能充分发挥总氮阴离子盐的作用，那么我们甚至可以在火力上压制美国。

除了用作炸药，当用作火箭推进剂时，全氮高能材料可以显著延长发动机的工作时间(即提高比冲)，比冲更高的固体发动机会在不增加导弹体积的情况下显著增加导弹射程。可以想象，如果结合大威力高爆弹，现有体制下的中程弹可能达到雷电-1X的性能水平，具有超长射程，对超音速巡航目标的杀伤能力。

战斗机因为体积更小，威力更强，可以像军舰一样携带大量导弹。作为核武器扳机，在同等威力下，体积和质量至少可以减少一半。

比如美国的大型运输机MC-130，可以载重13600公斤。重达9800公斤的GBU-43炸弹相当于11吨TNT炸药的威力。同重量的全氮阴离子盐炸药呢？

在现有的高能炸药中，即使是八角炸药，由于成本较高，也与TNT混合使用，仅用于导弹和水下武器的高能弹头中。如果全氮阴离子盐的合成产率没有问题，其应用将比现有的各类硝基高能炸药更加广泛——甚至有可能在“当量比”上超过TNT。

作为氢弹的常规装药，以其可能的综合性能，有可能找到合适的中子源。但至少可以在功率相等的前提下，将体积和质量减少一半。

如果再加上其他高精尖技术，比如王海富教授研发的“主动毁伤元技术”，王海富教授研发的“主动毁伤元技术”具有动能穿孔和爆炸双重毁伤机制。当目标被高速撞击时，爆炸原理应该来自于材料与硬物高速撞击的能量。要发挥新破片的最大杀伤力，最好是目标外部结构强度弱，容易被击穿，而目标内部结构强度高，被击中后能引爆破坏元素，造成更大的伤害。

如果将这种技术与总氮阴离子盐结合，可以瞬间完成穿甲爆破燃烧，真的被称为毁灭者柯南。(PS:该技术获得国家科学技术奖励大会二等奖)

最重要的是，合成总氮阴离子盐的原料价格相当低廉。最贵的材料是甘氨酸亚铁[Fe(Gly)2]，真的是白菜价！

自中国古代发现黑粉以来，在相关领域一直处于世界领先地位。直到明朝，中国的器物和其他热兵器也很先进。但是到了现代，由于跟不上科技的进步，被自己发明的火药打开了大门。

现在，全氮阴离子盐的合成，意味着我们中国在新一代火药方面走在了世界前列，让我们又赚了一口气。此外，中科院合肥物质科学研究院亚历山大·冈查罗夫团队的研究人员成功合成了超高能材料聚合氮和“金属氮”。

目前，只有中国在新一代火药方面取得了多项突破，就连美国也没有稳定合成金属氢或纯氮。可以说中国在新一代火药方面全方位领先世界，未来将用于高能弹头、核武器常规装药、高能固体推进剂。也将成为国家的核心威慑力量。

目前，胡秉诚仍在努力实现总氮阳离子(N5+)与戊四唑阴离子(N5ˉ)的成功结合。让我们一起为他加油吧！