氮

　　一種化學元素，化學符號N，原子序數7，原子量為14.006747，屬週期系ⅤA族。

　　發現　1772年由瑞典藥劑師C.W.舍勒和英國化學傢D.盧瑟福同時發現，後由法國科學傢A.-L.拉瓦錫確定是一種元素。nitrogen來源於希臘文 nitre，原意是“硝石”。

　　存在　氮在地殼中的含量約為0.0046％((重量)，自然界中絕大部分的氮，以單質分子N₂的形式存在於大氣中，氮氣占空氣體積的78％。動植物體中也都含有元素氮，它是有機生命的重要組成部分。氮的最重要的礦物是硝酸鹽，如南美洲智利的硝石NaNO₃。氮有兩種天然同位素：氮14和氮15，其中氮14的同位素豐度為99.625％。

　　物理性質　單質氮在常溫常壓下為一種無色、無臭氣體，熔點-209.86℃，沸點-195.8℃，氣體密度1.25046克/升(0℃，1大氣壓)，臨界溫度－146.95℃，臨界壓力33.54大氣壓。

　　化學性質　氮分子是由兩個氮原子組成的，特別穩定。每個氮原子有三個自旋平行的2p電子。實驗表明，氮分子中所有的電子在分子軌道中均是成對的。兩個氮原子間生成一個σ鍵、兩個π鍵(見共價鍵)，所以氮分子是很穩定的。氮分子的離解能為225.1千卡/摩爾。因為氮分子的反應活化能很高，在通常條件下，它對許多反應試劑是惰性的，但是氮分子的穩定性也是相對的。例如，一些植物的根瘤上的固氮菌能在常溫常壓下把氮分子轉化為氮的化合物。

各種氧化態的氮化合物

　　氮的電子構型為1s²2s²2p³，氮與其他元素化合時，可以表現為-3、-2、-1、+1、+2、+3、+4 和+5 氧化態。其中主要的氧化態是-3、+3和+5。各種氧化態的氮化合物見表，表中X為鹵素。在某些氮的二元化合物中，有N^3-離子存在。N^3-離子隻能存在於幹態中，若遇水會立即水解，如：

Mg₃N₂+6H₂O─→3Mg(OH)₂+2NH₃

　　在大多數氮的化合物中，氮是以共價鍵與其他元素結合的。在正氧化態中硝酸和硝酸鹽是最穩定的化合物；而在負氧化態中NH₄⁺和NH₃都是最穩定的。在高溫高壓並有催化劑存在下，氮和氫作用生成氨：

N₂+3H₂─→2NH₃

　　化合物　①氧化物　氮的電負性為3.04，低於氧。氮與氧反應時可生成不同的氧化物，如氧化二氮H₂O、一氧化氮NO、二氧化氮NO₂、三氧化二氮N₂O₃、四氧化二氮N₂O₄、五氧化二氮N₂O₅。除N₂O₅外，其餘氮的氧化物在室溫下都是氣體。一氧化氮是無色氣體，可溶於水，但無化學反應。N₂O₃不穩定，在常壓下即分解為NO和NO₂。N₂O₃是亞硝酸酐，溶於水即生成亞硝酸。亞硝酸是一種弱酸，很不穩定，易發生歧化反應。亞硝酸鹽很穩定，除硝酸銀外，其他亞硝酸鹽易溶於水，亞硝酸鹽有毒，是致癌物質。亞硝酸及其鹽類是既有氧化性又有還原性的物質。NO₂為紅棕色氣體，在低溫下容易轉化為無色的N₂O₄。隨著溫度的升高，N₂O₄轉化為NO₂的可能性增大。NO₂溶於水，生成硝酸和亞硝酸。N₂O₅為白色固體，很不穩定，能發生爆炸性分解；溶於水可得硝酸。

　　②氮化物　為氮與電負性比它小的元素形成的二元化合物。在金屬中，鋰在常溫下即與氮直接化合：

6Li+N₂─→2Li₃N

而ⅡA族金屬要在高溫下才能與氮作用，如：

3Ca+N₂─→Ca₃N₂

過渡金屬鈧、釔、鑭、鋯、鉿、釩、鉻、鉬、鎢、錳在高溫下也可生成氮化物。ⅠA族金屬與氮直接反應，生成疊氮化物，受熱後分解成氮化物Na₃N、K₃N、Rb₃N等。400℃時這些氮化物分解為氮和相應元素，它們與水蒸氣作用，放出氨，並生成金屬氫氧化物，如：

K₃N+3H₂O─→3KOH+NH₃

氮也可與一些化合物作用，如：

CaC₂+N₂

CaCN ₂+ C

Na₂CO₃+4C+N₂

2NaCN+ 3CO

使0.1～2毫米汞柱壓力的氮氣通過高壓放電管時，它就部分地變成活化的不穩定狀態，稱為活化氮N₂^*，活化氮比通常氮活潑性更大：

　　③分子氮配合物 部分過渡金屬有與氮形成配合物（見配位化合物）的能力。在這些配合物中，一個氮原子的電子對與金屬受體軌道形成的配鍵是很弱的。反過來，金屬電子反饋到氮分子的受體軌道上，加強瞭配體和金屬之間的鍵合作用。這對許多不飽和配體的配合物來說是重要的穩定因素。由於氮分子對金屬的鍵合不很強，加熱後就會失去氮分子。

　　惰性的分子氮轉化為銨鹽即可被植物吸收，許多植物的根瘤都含有這種固氮酶。目前世界上許多國傢都在進行化學模擬和生物模擬固氮。

　　氮在自然界的循環　氮是組成動植物體中蛋白質的重要成分。大多數植物通過其根部吸收土壤中的銨鹽和硝酸鹽。一些豆科作物的根瘤上有固氮菌，它可以把大氣中的氮轉化為氮化物，然後被吸收，形成蛋白質。作物死後，這些化合態的氮又被其他植物、動物所吸收。

　　空氣中存在單質氮和氧，在雷雨時，它們會發生反應，形成NO，接著又被氧化成NO₂，NO₂溶於雨水中形成硝酸和亞硝酸。這些酸與土壤中的金屬化合物作用，變為硝酸鹽和亞硝酸鹽。在土壤中還存在著反硝化細菌，它們可以把硝酸鹽、氨又轉化為單質氮，從而又進入大氣中。這個循環過程可用附圖

表示：

　　雖然氮是一個生命元素，但高等動物及大多數植物不能直接吸收氮。但在高壓下，氮可被吸入血液和器官中，有麻醉作用；當壓力突然降低時，溶解的氮形成氣泡，從器官中釋放出來，使肌肉感到疼痛、無力，嚴重時可導致死亡。

　　制法　氮氣的主要來源是空氣，是由液態空氣分餾而制得的。氮的沸點是－195.8℃，比氧的沸點低13℃。工業上分餾液態空氣時主要得到液氧，去掉氧便可得到氮。工業上常以150大氣壓的壓力將氮氣裝入鋼瓶中運輸和使用。實驗室中制取氮氣有以下各法：

NH₄NO₂

N ₂+ 2H ₂ O

或可將飽和的亞硝酸鈉 NaNO₂逐滴加入熱的飽和氯化銨NH₄Cl溶液中制得。此外也可利用下列反應制取氮氣：

K₂Cr₂O₇+(NH₄)₂SO₄─→N₂+Cr₂O₃+K₂SO₄+4H₂O

2NH₃+3CuO─→3H₂O+N₂+3Cu

8NH₃+3Br₂─→N₂+6NH₄⁺+6Br^-

熱分解Ba( N ₃) ₂或 NaN ₃也可制得很純的氮氣：

Ba(N₃)₂

Ba+ 3N ₂

氨在鉑催化作用下可分解成氮和氫。

　　應用　主要用來制造氨，其次是制備氮化物、氰化物、聯胺、硝酸及其鹽類。此外，可作保護性氣體、泡沫塑料中的發泡劑，液氮可用作冷凝劑。