氮
化学元素
氮是一种化学元素，它的化学符号是N，原子序数7。氮元素在自然界中以单质形态存在，即氮气（N2），是一种无色、无味、惰性的气体，是地球大气中含量最多的元素，约占大气总体积的78%。氮在生物体中扮演重要角色，是蛋白质、核酸等生命大分子的组成部分。氮循环是生态系统中的重要环节，包括固氮、氨化、硝化、反硝化等过程。工业上，氮用于生产化肥、硝酸、炸药等，液态氮还广泛应用于冷冻、医疗等领域。氮的化合物多样，对人类生活和科学研究具有重要意义。
研究简史
1674年，英国医生约翰·马约（John Mayow）证明了空气不是由单一的元素而是由不同的物质组成的。他通过展示只有一部分空气可燃而大部分不可燃来证明上述说法。
大约一个世纪后，苏格兰化学家约瑟夫·布莱克（Joseph Black）和丹尼尔·卢瑟福（Daniel Rutherford）对空气进行了更详细的研究。通过一系列步骤彻底去除了空气中的氧气和二氧化碳之后，卢瑟福发现残余气体与二氧化碳类似，不可燃，也不能让生命体存活。但与二氧化碳不同的是，这种气体不溶于水和碱溶液。卢瑟福在1772年报告了他发现的这种“有害空气”，我们现在称之为氮气。
瑞典药剂师卡尔·舍勒（Carl Scheele）在1772年也独立发现了氮气，他称其为“废气”。舍勒通过多种方式去除氧气后，他发现了一种不可燃的残余气体，其体积是原始空气的三分之二到四分之三。
1790年，法国化学家让-安托万·克劳德·查塔尔（Jean-Antoine-ClaudeChaptal）将这种元素命名为“nitrogen（氮）”，因为当时的实验表明它是硝酸钾KNO3（Nitre）的一种成分。
物理性质
氮有两种天然同位素：氮-14和氮-15，其中氮-14的丰度为99.625%。
氮通常的单质形态是氮气。它无色无味无臭，是很不易有化学反应呈化学惰性的气体，而且它不支持燃烧，微溶于水、乙醇。用于合成氨，制硝酸，用作物质保护剂，冷冻剂。
一些物理性质如下：
化学性质
N原子的价电子层结构为2s22p3，即有3个成单电子和一对孤电子对，以此为基础，在形成化合物时，可生成如下三种键型：
离子键：
N 只能与电离能小的I A族和II A族的金属形成离子型氮化物，获得3个电子而形成N3-离子。
金属与氮气作用时 的反应条件不同，锂在常温下就与氮气直接反应，但反应速率很慢，有实际意义的反应温度高于250无须空格℃有明显反应。 II A族金属都要在加热的条件下才与氮气化合，如与Ca反应温度为410 ℃，与Sr反应温度为380 ℃。
N3-离子的负电荷较高，半径较大（171pm），遇到水分子会强烈水解，因此的离子型化合物只能存在于干态，不会有N3-的水合离子。
共价键
N原子同电负性较高的非金属形成化合物时，形成如下几种共价键：
⑴ N原子采取sp3杂化态，形成三个共价键，保留一对孤电子对，分子构型为三角锥型，例如NH3、NF3、NCl3等。若形成四个共价单键，则分子构型为正四面体型，例如NH4+离子。
⑵ N原子采取sp2杂化态，形成2个共价双键和1个单键，并保留有一对孤电子对，分子构型为角形，例如Cl—N=O。（N原子与Cl原子形成一个σ键和一个π键，N原子上的一对孤电子对使分子成为角形。）若没有孤电子对时，则分子构型为三角形，例如HNO3分子或NO3-离子。硝酸分子中N原子分别与三个O原子形成三个σ键，它的π轨道上的一对电子和两个O原子的成单π电子形成一个三中心四电子的不定域π键。在硝酸根离子中，三个O原子和中心N原子之间形成一个四中心六电子的不定域大π键。这种结构使硝酸中N原子的表观氧化数为+5，由于存在大π键，硝酸盐在常况？下是足够稳定的。
⑶ N原子采取sp杂化，形成一个共价叁键，并保留有一对孤电子对，分子构型为直线形，例如N2分子和CN-中N原子的结构。
配位键
N原子在形成单质或化合物时，常保留有孤电子对，因此这样的单质或化合物便可作为电子对给予体，向金属离子配位。例如[Cu(NH3)4]2+。
氮共有九种氧化物：一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO）、一氧化氮二聚体（N2O2）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）、五氧化二氮（N2O5）、叠氮化亚硝酰（N4O），第九种氮的氧化物三氧化氮（NO3）作为不稳定的中间体存在于多种反应之中。
同位素
以下是氮的同位素及其性质，
分布情况
氮在自然界中绝大部分的氮是以单质分子氮气的形式存在于大气中，氮气占空气体积的78％。氮的最重要的矿物是硝酸盐。
氮在地壳中的重量百分比含量是0.0046%，总量约达到4×1012吨。动植物体中的蛋白质都含有氮。土壤中有硝酸盐，例如KNO3。在南美洲智利有硝石矿（NaNO3），这是世界上唯一的这种矿藏。宇宙星际已发现含氮分子，如NH3、HCN等。
制备方法
氮在自然界主要以双原子分子的形式存在于大气中，因而工业上由液态空气分馏来获得氮气。产品通常储存在钢瓶中出售。从空气分馏得到的氮气纯度约为99%，其中含少量的氧气、氩气及水等杂质。
分馏液态空气可获得氮气：
工业上用分馏液态空气，可得纯度为99%的“普氮”（其余1%为O2及稀有气体）。普氮纯化得电子度为99.9%的高纯氮。
实验室制备少量氮气的方法很多。例如，可由固体亚硝酸铵的热分解来产生氮气：
此反应剧烈，不易控制。故常采取在饱和亚硝酸钠溶液中，滴加热的饱和氯化铵溶液，或直接温热饱和亚硝酸铵溶液的办法来得到氮气。这样制得的氮气含少量氨、一氧化氮、氧气及水等杂质。
重铬酸铵热分解也能产生氮气：
上述反应是爆发式的，但若加入硫酸盐则可控制：
将氨气通入溴水也能制备氮气。经净化除去少量氨、溴及水等杂质后，可得较纯的氮气：
氯气也可氢化氨气生成氮气:
应用领域
工业应用
氮在工业中有广泛的应用，以下是一些主要的应用领域：
合成氨：氮是合成氨（NH3）的主要原料，氨是制造氮肥（如尿素、硝酸铵等）的关键成分，对农业生产至关重要。
钢铁工业：在钢铁生产过程中，氮被用作保护气体，以防止钢铁在高温下与氧气反应而氧化。此外，氮也被用于制造高强度低合金钢和不锈钢。
电子工业：氮气在电子制造业中用作环境气体，用于半导体芯片的制造和封装过程，以防止氧化和其他污染。
食品工业：氮气用于食品包装中，作为一种保护气体，可以延长食品的保质期，防止食品氧化和变质。
化学工业：氮是许多化学品和合成材料的生产过程中的重要原料，如硝酸、炸药（如三硝基甲苯TNT）、塑料（如尼龙）等。
石油工业：在石油精炼过程中，氮气用于提供惰性环境，以防止爆炸和火灾。
医药工业：氮气在制药过程中用于提供无尘环境，以及在液态氧的生产中作为冷却剂。
金属加工：氮气用于金属焊接和切割过程中的保护气体，以及金属热处理过程中的气氛控制。
汽车工业：氮气用于汽车轮胎的充气，因为氮气比空气更稳定，可以减少轮胎的磨损，延长轮胎的使用寿命。
实验室和科研：在实验室中，液氮常用作冷却剂，用于冷冻样品和进行低温实验。
氮的这些工业应用体现了其在现代工业中的重要性和多功能性。
生理作用
氮是植物生长的必需养分之一，它是每个活细胞的组成部分。植物需要大量氮。
氮素对植物生长发育的影响是十分明显的。当氮素充足时，植物可合成较多的蛋白质，促进细胞的分裂和增长，因此植物叶面积增长快，能有更多的叶面积用来进行光合作用。
此外，氮素的丰缺与叶子中叶绿素含量有密切的关系。能从叶面积的大小和叶色深浅上来判断氮素营养的供应状况。在苗期，一般植物缺氮往往表现为生长缓慢，植株矮小，叶片薄而小，叶色缺绿发黄。禾本科作物则表现为分孽少。生长后期严重缺氮时，则表现为穗短小，籽粒不饱满。在增施氮肥以后，对促进植物生长健壮有明显的作用。往往施用后，叶色很快转绿，生长量增加。但是氮肥用量不宜过多，过量施用氮素时，叶绿素数量增多，能使叶子更长久地保持绿色，以致有延长生育期、贪青晚熟的趋势。对一些块根、块茎作物，如糖用甜菜，氮素过多时，有时表现为叶子的生长量显著增加，但具有经济价值的块根产量却少得使人失望。
元素固定
氮的元素固定（Nitrogen fixation）是指将大气中的氮气（N2）转化为植物和其他生物可以利用的氮化合物（如氨NH3或硝酸盐NO3^-）的过程。这个过程对于生态系统和农业生产至关重要，因为氮是生物体合成蛋白质和其他重要分子的必需元素。以下是氮固定的主要方式和途径：
生物固氮：
细菌固氮：一些细菌，如根瘤菌（Rhizobium）、弗兰克氏菌（Frankia）和蓝藻（cyanobacteria），能够通过固氮酶将大气中的氮气转化为氨。这些细菌中的一些与植物共生，例如根瘤菌与豆科植物共生，在植物根瘤中固氮。
非共生固氮：一些细菌，如自生固氮菌（Azotobacter），能够在没有与植物共生的情况下固氮。
工业固氮：
哈柏-博施过程：这是人工合成氨的主要工业过程，通过在高温高压下将氮气和氢气反应生成氨。这个过程需要催化剂（如铁催化剂）和大量的能源。
自然固氮：
雷电作用：雷电产生的高温和高能量可以将大气中的氮气转化为氮氧化物，这些氮氧化物随后可以通过降水进入土壤，转化为植物可利用的形态。
土壤微生物作用：土壤中的某些微生物可以固定氮气，尽管这个过程相对较慢且效率较低。
氮的元素固定是自然界和农业中氮循环的关键步骤，它确保了植物能够获得生长所需的氮素，进而维持生态系统的平衡和农业生产。不合理的农业实践和工业活动可能会导致氮的过量固定和流失，造成环境污染问题，如水体富营养化。
营养氮平衡
在一定的时间内，摄入的氮量和排出的氮量之间的关系，就称之为“氮平衡”用以衡量人体蛋白质的需要量和评价人体肌肉蛋白质的状况。
1．氮平衡：在一定的时间内，摄入的氮量与排出的氮量相等，则表示人体内蛋白质的合成与分解处在平衡状态，人体的肌肉围度处于原来的围度与水平。
2．正氮平衡：摄入氮量大于排出氮量，蛋白质的合成大于分解量，运动后被破坏的肌肉纤维就会迅速修复、增长。3．负氮平衡：摄入的氮量小于排除的氮量，蛋白质的合成小于分解，此时人体的肌肉蛋白为保证机体活动进行分解供能，肌肉处于消减状态。
安全事项
氮是一种无色、无味、无臭的气体，在常温常压下对人体无害，但在某些情况下，氮气可能会变得危险。以下是一些关于氮的安全注意事项：
窒息风险：
氮气不支持呼吸，因此在高浓度的氮气环境中，氧气含量会降低，可能导致窒息。在封闭空间中，应确保良好的通风，以防止氮气积聚。
液氮的风险：
液氮的温度极低（-196°C），直接接触会导致严重的冻伤。在处理液氮时，应使用适当的个人防护装备，如隔热手套、护目镜和长袖衣物。
液氮蒸发时会迅速膨胀，因此在使用和储存时需要足够的空间和适当的通风，以防止压力积聚和容器破裂。
火灾和爆炸风险：
虽然氮气本身不燃烧也不支持燃烧，但它可以替代空气中的氧气，降低燃烧所需的氧气浓度，从而抑制火焰。然而，在特定条件下，氮气可能与某些金属（如镁）反应，产生火灾风险。
容器安全：
储存和运输氮气或液氮的容器必须符合安全标准，能够承受所需的压力和温度。容器应定期检查和维护，以防止泄漏。
操作规程：
在操作氮气或液氮时，应遵循安全操作规程，包括紧急事故的响应计划。
应该有明确的标识，警告潜在的窒息、冻伤和其他危险。
环境风险：
氮气泄漏到环境中可能会对生态系统产生影响，例如，过量的氮可能导致水体富营养化。
培训和意识：
任何处理氮气或液氮的人员都应该接受适当的培训，了解潜在的风险和正确的安全措施。
急救措施：
在氮气或液氮泄漏的情况下，应立即撤离受影响区域，并寻求紧急医疗援助。遵循这些安全注意事项可以帮助减少与氮气相关的风险，并确保人员和环境的安全。
法律规范和法律法规
《中华人民共和国大气污染防治法》于2015年8月29日由中华人民共和国第十二届全国人民代表大会常务委员会第十六次会议修订通过，并于2016年1月1日起施行。该法律涉及大气污染防治的各个方面，包括工业污染防治、机动车船等污染防治，以及大气污染物的协同控制，其中包括氮氧化物。
《关于加强固定污染源氮磷污染防治的通知》由生态环境部于2018年4月8日发布，旨在进一步加强固定污染源氮磷污染防治工作。通知强调了氮磷污染对水环境的影响，并提出了对固定污染源氮磷排放的控制和削减措施。这包括对工矿企业、污水集中处理设施、畜禽养殖场等固定污染源的监管。
这些文件和法律条款体现了中国政府在氮污染防治方面的努力和承诺，旨在控制和减少氮对环境和公共健康的负面影响。
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