氮

  此條目介紹的是氮元素。关于氮氣气体，请见「氮氣」。

氮（拼音：dàn，注音：ㄉㄢˋ；英語：Nitrogen），是一種化學元素，化學符號为N，原子序數为7，原子量為7001140070000000000♠14.007 u。1772年，在丹尼爾·盧瑟福分離空氣後第一次被發現。雖然卡爾·威廉·舍勒及亨利·卡文迪什也在同一時間独立完成了相关研究，但因為盧瑟福更早公開發表而广受赞誉。1790年，法國化學家讓-安托萬·沙普塔（英语：Jean-Antoine Chaptal）提出了氮的法文命名nitrogène，因為在当时，氮多出现于硝酸和硝酸鹽中。由于氮无法用于呼吸，安托万-洛朗·德·拉瓦锡提出了另一个英文命名azote，取自希腊语ἄζωτος，意思是“没有生命的”。这个名称被多数其他语言使用，例如法語、俄語等。同时，azote也出现在含氮相关化合物的英文名中。

氮   ₇N

氫（非金屬） 氦（惰性氣體） 鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體） 鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體） 鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體） 銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體） 銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體） 鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體） - ↑ 氮 ↓ 磷 碳 ← 氮 → 氧
外觀
气体，液体及固体均为无色 液態氮 氮的原子光譜
概況
名稱·符號·序數	氮（nitrogen）·N·7
元素類別	非金屬
族·週期·區	15 ·2·p
標準原子質量	14.007（1）
电子排布	[氦]2s^2 2p^3 2, 5
歷史
發現	丹尼爾·盧瑟福（1772年）
命名	讓-安托萬·沙普塔（英语：Jean-Antoine Chaptal）（1790年）
物理性質
顏色	透明
物態	氣態
密度	（0 °C, 101.325 kPa） 1.251 g/L
沸点時液體密度	0.808 g·cm^−3
熔点	63.15 K，−210.00 °C，−346.00 °F
沸點	77.36 K，−195.79 °C，−320.33 °F
三相点	63.1526 K（−210 °C），12.53 kPa
臨界點	126.19 K，3.3978 MPa
熔化热	(N2) 0.72 kJ·mol^−1
汽化热	(N2) 5.56 kJ·mol^−1
比熱容	(N2) 29.124 J·mol^−1·K^−1
蒸氣壓 壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 溫/K 37 41 46 53 62 77
原子性質
氧化态	5, 4, 3, 2, 1, −1, −2, −3 （強酸性）
电负性	3.04（鲍林标度）
电离能	第一：1402.3 kJ·mol^−1 第二：2856 kJ·mol^−1 第三：4578.1 kJ·mol^−1 （更多）
共价半径	71±1 pm
范德华半径	155 pm
雜項
晶体结构	六方
磁序	抗磁性
熱導率	25.83 × 10^−3 W·m^−1·K^−1
聲速	(gas, 27 °C) 353 m·s^−1
CAS号	7727-37-9
最穩定同位素
主条目：氮的同位素 同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變 方式 能量（MeV） 產物 ^13N 人造 9.965分 ε 2.220 ^13C ^14N 99.634% 穩定，帶7個中子 ^15N 0.366% 穩定，帶8個中子

氮是元素周期表第十五族氮族元素中最輕的一個。這個名字引用希臘文πνίγειν，意思是“有窒息性的”。氮是宇宙中常見的元素，他在銀河系和太陽系中含量大約占第七。在标准温度和压强下，兩個氮原子可以结合形成氮氣（${\displaystyle {\ce {N2}}}$）。氮氣是一種無色無味的双原子气体，在大氣中的含量约为78%，也是大气中最稳定的气体之一。氮也存在于生物的氨基酸、蛋白质和核酸中。人体中氮元素的质量约占3%，仅次於氧、碳和氫。氮循环是指氮元素從空氣進入生物圈和有機化合物中然後再返回大氣的转移過程。

很多工业上重要的化合物都含有氮原子，例如氨、硝酸、可用作推進劑或炸藥的有机硝酸盐、氰化物等。氮原子之間可以形成非常牢固的氮氮三鍵（${\displaystyle {\ce {N#N}}}$）（强度仅次于一氧化碳（${\displaystyle {\ce {CO}}}$）^[1]的鍵強）。无论在工业或是生物体中，将氮转化为有用的含氮化合物都很不容易；相反，含氮化合物因燃燒、爆炸或分解而產生氮氣，同时放出大量的反應熱。合成產生的氮和硝酸鹽是關鍵的工業化肥料。硝酸鹽肥料是引起水質優養化的關鍵污染物。

含氮化合物除了作為肥料和能量儲存的功用之外還有其他多種用途。氮是克維拉纖維和氰基丙烯酸酯強力膠水等多種材料的組成部分。在各種藥學藥品的大類中（包括抗生素）都含有氮元素。許多藥物都是天然含氮信號分子的類似物或前體藥物。比如，有機硝酸鹽、硝酸甘油和硝普鈉在體內代謝產生一氧化氮以控制血壓。植物中的生物鹼（經常是防衛性化合物）根據定義是含有氮的，許多知名的含氮藥物（比如咖啡因和嗎啡）是生物鹼或是合成的天然產物類似物，像許多植物生物鹼一樣用作於動物體內的神經傳導物質的接收器上（例如合成苯丙胺）。

名稱和历史

 

氮的发现者，卢瑟福

氮及其化合物历史悠久。氮一般被认为是被苏格兰物理学家丹尼尔·卢瑟福在1772年发现的。他发现將生物放入这种气体中时都會窒息而死，因而将氮气叫做有害气体（noxious air）或固定气体（fixed air）。^[2][3]卢瑟福清楚空气中有一种成分不支持燃烧。当时，卡尔·威廉·舍勒，亨利·卡文迪什和约瑟夫·普利斯特里也都在研究氮气。他们将它称为燃烧气（burnt air）或燃素。氮气很不活跃，因此被拉瓦锡称为有毒气体（法語：air méphitique）或azote。azote源于希腊词 ἄζωτος （azotos），意思是 "无生命的"。^[4]在氮气裡，动物死亡，火焰熄灭。拉瓦锡所给的氮气的名字被用于很多种语言（法语，意大利语，波兰语，俄语，阿尔巴尼亚语，等等），并且还处在于英语的一些化合物的常用名字里，比如肼和叠氮化合物。

英语单词nitrogen（1794）来自于法语单词nitrogène，是由法国化学家让-安托万·沙普塔（英语：Jean-Antoine Chaptal）将希腊语 νίτρον （nitron）（硝酸钠）与法语gène（生成）相结合后制造出来的新词。氮气常在硝酸气体中被发现。沙普塔的意思是，氮气是硝酸的一个组成部分，是由硝石（nitre）（硝酸钾）产生的。^[5]

德文中便直接以sticken（導致窒息）和Stoff（物質）組合，命名為Stickstoff（導致窒息的物質），日文及韓文便自此將之意譯為「窒素」。

19世纪70年代化学家徐寿将${\displaystyle {\ce {H}}}$ 、${\displaystyle {\ce {O}}}$ 、${\displaystyle {\ce {N}}}$ 、${\displaystyle {\ce {F}}}$ 、${\displaystyle {\ce {Cl}}}$ 译为轻氣、养氣、淡气、弗气、绿气，直至1933年，化学家郑贞文在其主持编写出版的《化学命名原则》一书中改成氢、氧、氮、氟、氯，一直沿用到现在。^[6]中文名稱「氮」有沖淡氣體的意思。

氮化合物早在中世纪就广为人知了。炼金师知道硝酸是aqua fortis（强水）。硝酸和盐酸的混合物被称做aqua regia（王水）, 因为它可以溶解黄金（金属之王）。最早的在军事，工业和农业上得氮化合物的应用是硝石（硝酸钠或硝酸钾）的使用，尤其是在火药中和作为肥料。1910年，瑞利男爵发现在氮气中放电可以产生“活性氮”，一种氮的单原子同素异形体。由他的仪器中产生的“明黄色的旋转的云”与汞反应后生成爆炸性的氮化汞。^[7]

有相当长一段时间内，氮化合物的来源很有限。它们的自然来源要么是生物学，要么是大气反应生成的硝酸盐的沉积。对肥料的需求日益增长促进了氮化合物的工业化生产。工业化的固氮过程（如奥斯特瓦尔德法和氰氨法（英语：Frank-Caro process））消除了氮化合物的短缺。1910年代哈柏法的发现和工业化应用彻底改变了氮化合物的供应，对食品生产产生了很大影响，使得养活全世界日益增长的人口成为可能。^[8]

属性

氮是非金属，其电负性为3.04。^[9]氮原子的外层有5个电子，因此它在绝大多数化合物中都是三价的。分子氮（${\displaystyle {\ce {N2}}}$ ）的三键是最强的化学键之一，导致将${\displaystyle {\ce {N2}}}$ 转化为其他氮化合物非常困难，而较容易将化合物形态的氮元素转化为氮单质。后者的转化通常伴有大量能量释放，在自然和人类经济活动中占有重要的地位。

在1个大气压下，分子氮在77K（−195.79°C）时凝结（液化），在63K（−210.01°C）时凝固^[10]成为β相的六方密积（英语：Close-packing of equal spheres）结构的晶体形态的同素异形体。在35.4K（−237.6°C）以下，氮被认为是立方晶体形态的同素异形体（被称为α相）。^[11]液氮是像水一样的流体，但仅有水密度的80.8% （液氮在其沸点时的密度是0.808g/mL），是常用的制冷剂。^[12]

氮的不稳定的同素异形体包含有多于2个氮原子（比如${\displaystyle {\ce {N3}}}$ 和N
4），可以在实验室中制得。^[13]在利用金刚石对顶砧得到的极端高压（110多万atm）和高温（2000K）下，氮被聚合成单键的立方偏转的晶体结构。这种结构于钻石的结构类似，都具有很强的共价键。因此${\displaystyle {\ce {N4}}}$ 的别名为“氮钻石”。^[14]

其他的被预测出得氮的同素异形体有六氮苯（${\displaystyle {\ce {N6}}}$ ，类似于苯）^[15]和八氮立方烷（${\displaystyle {\ce {N8}}}$ ，类似于立方烷）。^[16]前者被预言为高度不稳定，而后者被推测因为轨道对称的原因会动力学稳定。 ^[17]

同位素

主条目：氮的同位素

已发现的氮的同位素共有十七种，包括${\displaystyle {\ce {^10N}}}$ 至${\displaystyle {\ce {^25N}}}$ ，其中只有${\displaystyle {\ce {^14N}}}$ 和${\displaystyle {\ce {^15N}}}$ 是最稳定的。最常见的是${\displaystyle {\ce {^14N}}}$ （99.634%），是在恒星的碳氮氧循環过程中产生的。^[18]在其他人工合成的同位素中，${\displaystyle {\ce {^13N}}}$ 的半衰期是10分钟，其他的同位素的半衰期都是以秒计或更短。^[19]

生物介导反应（例如同化，硝化反应和反硝化反应）牢牢地控制着土壤的氮动力学。这些反应一般会导致基质的${\displaystyle {\ce {^15N}}}$ 富集和产物的${\displaystyle {\ce {^15N}}}$ 消耗。^[20]

地球大气中的氮气的一小部分（0.73%）是同位素体（英语：isotopologue）${\displaystyle {\ce {^14N}}}$ ${\displaystyle {\ce {^15N}}}$ ，其余的大部分是${\displaystyle {\ce {^14N2}}}$ 。^[21]

同素异形体

主条目：氮的同素异形体

氮拥有多种同素异形体。最常见的莫过于氮气（${\displaystyle N_{2}}$ ），此外还有叠氮自由基（${\displaystyle N_{3}}$ ）、氮4（${\displaystyle N_{4}}$ ）、五氮阳离子（${\displaystyle {\rm {\ N_{5}^{+}}}}$ ）、六嗪（${\displaystyle N_{6}}$ ）、八氮立方烷（${\displaystyle N_{8}}$ ）等多种同素异形体。

电磁光谱

 

氮放电（光谱）管

分子氮（${\displaystyle {\ce {^14N2}}}$ ）是对红外的和可见光的辐射是十分透明的。因为它是同核分子，因此没有偶极矩去在这些波长上来耦合电磁辐射。显著地吸收发生在极端紫外的波长高于100纳米的波段。^[22]这一般伴随着电子跃迁，发生在那些内部氮原子之间电荷分布不均的氮分子之间。氮的光吸收导致了在地球高层大气中和其它行星大气中的显著地紫外辐射吸收。因为同样地原因，纯分子氮激光器（英语：nitrogen laser）一般发出在紫外波段的光。

氮通过电子碰撞激发的电子流而对地球高层大气里地可见的大氣光有所贡献。这种可见的蓝色大气光（在极地的极光中以及返航的航天器的返航光中可见）一般不是来自于分子氮，而是源于自由氮原子结合氧生成一氧化氮（${\displaystyle {\ce {NO}}}$ ）的过程。

氮气也会展示出闪烁（英语：Scintillation (physics)）。

氮氧化物

氮可以形成多种不同的氮氧化物。在氧化物中，氮的氧化数可以从+1到+5，甚至+6（三氧化氮）。其中以NO和NO₂较为重要。

氮的氧化物的性质如下表：

名称	化学式	状态	颜色	化学性质	熔点（℃）	沸点（℃）	一般用途
一氧化二氮（笑气）	${\displaystyle {\ce {N2O}}}$	气态	无色	稳定	-90.8	-88.5	火箭和賽車的氧化劑及增加發動機的輸出功率。
一氧化氮	${\displaystyle {\ce {NO}}}$	气态	无色（固态、液态时为蓝色）	反应能力适中	-163.6	-151.8	引起血管的扩張而引起勃起和生产硝酸
三氧化二氮	${\displaystyle {\ce {N2O3}}}$	液态	蓝色	室温下分解为NO和NO2	-102	-3.5（分解）
二氧化氮	${\displaystyle {\ce {NO2}}}$	气态	红棕色	强氧化性	-11.2	21.2	生产硝酸
四氧化二氮	${\displaystyle {\ce {N2O4}}}$	气态	无色	强烈地分解为NO2	-92	21.3	火箭推进剂组分中的氧化剂
五氧化二氮	${\displaystyle {\ce {N2O5}}}$	固态	无色	不稳定	30	47（分解）
三氧化氮	${\displaystyle {\ce {NO3}}}$

参见

• 元素氮在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介紹（英文）
• EnvironmentalChemistry.com —— 氮（英文）
• 元素氮在The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）的介紹（英文）
• 元素氮在Peter van der Krogt elements site的介紹（英文）
• WebElements.com – 氮（英文）

维基共享资源中相关的多媒体资源：氮

• 氮族元素

参考文献

1. Common Bond Energies (D) and Bond Lengths (r) （页面存档备份，存于互联网档案馆）. wiredchemist.com
2. Lavoisier, Antoine Laurent. Elements of chemistry, in a new systematic order: containing all the modern discoveries. Courier Dover Publications. 1965: 15. ISBN 0-486-64624-6. 
3. Weeks, Mary Elvira. The discovery of the elements. IV. Three important gases. Journal of Chemical Education. 1932, 9 (2): 215. Bibcode:1932JChEd...9..215W. doi:10.1021/ed009p215. 
4. Elements of Chemistry, trans. Robert Kerr (Edinburgh, 1790; New York: Dover, 1965), 52.
5. nitrogen （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Etymonline.com. Retrieved on 2011-10-26.
6. 刘怀乐. . 化学教育. 1994, (04) [2013-02-25]. （原始内容存档于2013-10-04）. 
7. . Lateral Science. [2013-10-01]. （原始内容存档于2012-11-01）. 
8. Erisman, Jan Willem; Sutton, Mark A.; Galloway, James; Klimont, Zbigniew; Winiwarter, Wilfried. How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience. 2008, 1 (10): 636. Bibcode:2008NatGe...1..636E. doi:10.1038/ngeo325. 
9. Lide, D. R. (编). CRC Handbook of Chemistry and Physics 84th. Boca Raton, FL: CRC Press. 2003. 
10. Gray, Theodore. The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. 2009. ISBN 978-1-57912-814-2. 
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16. Muir, B. Cubane （页面存档备份，存于互联网档案馆）. (See "further topics" section.)
17. Patil, Ujwala N.; Dhumal, Nilesh R. and Gejji, Shridhar P. . Theoretica Chimica Acta. 2004, 112: 27–32 [2013-10-01]. doi:10.1007/s00214-004-0551-2. （原始内容存档于2020-04-06）. 
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22. Worley, R. Absorption Spectrum of N2 in the Extreme Ultraviolet. Physical Review. 1943, 64 (7–8): 207. Bibcode:1943PhRv...64..207W. doi:10.1103/PhysRev.64.207. 

外部链接

• 元素氮在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介紹（英文）
• EnvironmentalChemistry.com —— 氮（英文）
• 元素氮在The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）的介紹（英文）
• 元素氮在Peter van der Krogt elements site的介紹（英文）
• WebElements.com – 氮（英文）
• Nitrogen （页面存档备份，存于互联网档案馆） at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Etymology of Nitrogen （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Why high nitrogen density in explosives? （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• WebElements.com – Nitrogen （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• It's Elemental – Nitrogen （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• (MP3) from the Royal Society of Chemistry's Chemistry World: Nitrogen （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Nitrogen N2 Properties, Uses, Applications （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• 氮元素的介紹影片 （页面存档备份，存于互联网档案馆）