Nitrogen

Nitrogen (bahasa Latin: nitrogenium), yang juga disebut zat lemas, adalah unsur kimia dengan lambang N dan nomor atom 7. Unsur ini pertama kali ditemukan dan diisolasi oleh dokter berkebangsaan Skotlandia Daniel Rutherford pada tahun 1772. Meskipun Carl Wilhelm Scheele dan Henry Cavendish secara terpisah telah melakukan hal yang sama di kisaran waktu yang sama pula, Rutherford secara umum sesuai untuk menerima penghargaan tersebut karena karyanya dipublikasikan pertama kali. Nama nitrogen diusulkan oleh Jean-Antoine-Claude Chaptal pada tahun 1790, ketika ia menemukan bahwa nitrogen hadir dalam asam nitrat dan senyawa nitrat; nama ini diturunkan dari bahasa Yunani: νἰτρον "nitre" dan -γεννᾶν "membentuk". Antoine Lavoisier malah mengusulkan nama azote, dari bahasa Yunani άζωτικός "tak hidup", karena unsur itu termasuk gas asfiksia; nama usulan Lavoisier malah digunakan di banyak bahasa, seperti Prancis, Rusia, dan Turki, dan muncul dalam dua nama bahasa Inggris untuk beberapa senyawa nitrogen seperti hidrazin, azida dan azo.
Nitrogen adalah anggota paling ringan dari golongan 15 tabel periodik, sering kali disebut pniktogen. Nama tersebut berasal dari bahasa Yuniani πνίγειν "tersedak", merujuk langsung kepada sifat asfiksiasi nitrogen. Nitrogen adalah unsur umum dalam alam semesta, diperkirakan berada pada urutan ke-7 total kelimpahan dalam galaksi Bima Sakti dan Tata Surya. Pada suhu dan tekanan standar, dua atom unsur ini berikatan membentuk dinitrogen, suatu gas diatomik yang tak berwarna dan tak berbau, dengan rumus kimia N2. Dinitrogen membentuk sekitar 78% atmosfer bumi, membuatnya sebagai unsur mandiri yang paling melimpah. Nitrogen terdapat dalam semua organisme, terutama dalam asam amino (dan juga protein tentunya), dalam asam nukleat (DNA dan RNA) serta dalam molekul pemindah energi adenosin trifosfat (ATP). Tubuh manusia mengandung sekitar 3% nitrogen (berdasarkan massa), dan merupakan unsur paling melimpah ke-4 di dalam tubuh setelah oksigen, karbon, dan hidrogen. Siklus nitrogen menjelaskan pergerakan unsur dari udara, memasuki biosfer dan senyawa organik, kemudian kembali ke atmosfer.
Banyak senyawa yang penting untuk industri, seperti amonia, asam nitrat, nitrat organik (propelan dan bahan peledak), serta sianida, mengandung nitrogen. Ikatan rangkap tiga yang sangat kuat dalam nitrogen elementer (N≡N), ikatan paling kuat kedua dalam molekul diatomik setelah karbon monoksida (CO), mendominasi kimia nitrogen. Hal ini menyebabkan kesulitan untuk baik organisme maupun industri dalam mengubah N2 menjadi senyawa yang bermanfaat, tetapi di saat yang sama, membakar, meledakkan, atau menguraikan senyawa nitrogen untuk membentuk gas nitrogen akan melepaskan energi dalam jumlah besar yang sering kali bemanfaat. Amonia dan nitrat sintetis adalah pupuk industri utama, dan pupuk nitrat adalah polutan utama dalam eutrofikasi sistem air.
Terlepas dari penggunaannya sebagai pupuk dan penyimpan energi, nitrogen adalah konstituen beragam senyawa organik seperti Kevlar yang digunakan dalam kain berkekuatan tinggi dan sianoakrilat yang digunakan dalam superglue. Nitrogen adalah konstituen dari semua kelas obat farmakologi utama, termasuk antibiotika. Banyak obat atau prodrug meniru molekul sinyal alami yang mengandung nitrogen: contohnya, nitrat organik nitrogliserin dan nitroprusida mengendalikan tekanan darah dengan memetabolisme menjadi dinitrogen monoksida. Banyak obat penting yang mengandung nitrogen, seperti kafeina dan morfin alami atau amfetamin sintetis, bertindak selaku reseptor neurotransmiter hewan.
Senyawa nitrogen memiliki sejarah panjang, amonium klorida telah dikenal oleh Herodotus. Mereka terkenal pada Abad Pertengahan. Alkimiawan mengetahui asam nitrat sebagai aqua fortis (air kuat), dan juga senyawa nitrogen lainnya seperti garam amonium dan garam nitrat. Campuran asam nitrat dan asam klorida dikenal sebagai aqua regia (air raja), untuk merayakan kemampuannya melarutkan emas, raja para logam.
Penemuan nitrogen dianugerahkan kepada dokter berkebangsaan Skotlandia Daniel Rutherford pada tahun 1772, yang menyebutnya sebagai udara berbahaya (bahasa Inggris: noxious air). Meskipun ia tidak mengakuinya sebagai zat kimia yang sepenuhnya berbeda, ia dengan tegas membedakannya dari "udara tetap"nya Joseph Black, atau karbon dioksida. Fakta bahwa terdapat komponen udara yang tidak mendukung pembakaran sudah cukup jelas bagi Rutherford, meskipun dia tidak menyadari bahwa itu adalah sebuah unsur. Nitrogen juga diteliti di saat yang sama oleh Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish, dan Joseph Priestley, yang merujuknya sebagai udara terbakar atau udara terflogistikasi. Gas nitrogen cukup inert sehingga dirujuk oleh Antoine Lavoisier sebagai "udara mefitik" atau azote, dari bahasa Yunani: άζωτικός (azotikos), "tak hidup". Dalam atmosfer yang berisi nitrogen murni, hewan mati dan api padam. Meskipun nama usulan Lavoisier tidak diterima dalam bahasa Inggris, karena itu menuduh bahwa hampir semua gas (tentu saja dengan oksigen sebagai satu-satunya pengecualian) adalah mefitik, nama tersebut digunakan dalam banyak bahasa (Prancis, Italia, Portugis, Polandia, Rusia, Albania, Turki, dll.; dalam bahasa Jerman Stickstoff merujuk ke karakteristik yang sama, yaitu sticken "tersedak atau tercekik") dan tetap bertahan dalam bahasa Inggris dalam nama yang umum untuk banyak senyawa nitrogen seperti hidrazin dan senyawa dari ion azida. Akhirnya, ini mengarah ke nama "pniktogen untuk golongan dalam tabel periodik yang dimulai oleh nitrogen, dari bahasa Yunani πνίγειν "tersedak".
Istilah bahasa Inggris nitrogen (1794) masuk dari bahasa Prancis nitrogène, diciptakan pada tahun 1790 oleh kimiawan Prancis Jean-Antoine Chaptal (1756-1832), dari bahasa Prancis nitre (kalium nitrat, juga disebut saltpeter) dan bahasa Prancis -gene, "membuat", dari bahasa Yunani: -γενής (-genes, "produsen, yang menghasilkan"). Maksud Chaptal adalah bahwa nitrogen merupakan bagian esensial dari asam nitrat, yang pada gilirannya merupakan produk dari niter. Pada masa-masa awal, niter dirancukan dengan istilah Mesir "natron" (natrium karbonat) — yang disebut νίτρον (nitron) dalam bahasa Yunani — yang, terlepas dari namanya, tidak mengandung nitrat.
Aplikasi awal senyawa nitrogen pada bidang militer, industri, dan pertanian menggunakan saltpeter (natrium nitrat atau kalium nitrat), paling penting dalam bubuk mesiu, dan kemudian sebagai pupuk. Pada tahun 1910, Lord Rayleigh menemukan bahwa debit listrik dalam gas nitrogen menghasilkan "nitrogen aktif", suatu alotrop monoatomik nitrogen. "Awan berputar dari cahaya kuning cemerlang" yang dihasilkan oleh peralatannya direaksikan dengan raksa untuk menghasilkan raksa nitrida.
Untuk waktu yang lama, sumber senyawa nitrogen terbatas. Sumber daya alami berasal dari hayati atau deposit nitrat yang dihasilkan oleh reaksi atmosferik. Fiksasi nitrogen oleh proses industri seperti proses Frank–Caro (1895-1899) dan proses Haber–Bosch (1908-1913) meredakan kekurangan senyawa nitrogen, hingga setengah dari produksi pangan global (lihat aplikasi) sekarang bergantung pada pupuk nitrogen sintetis. Pada waktu yang sama, penggunaan proses Ostwald (1902) untuk menghasilkan nitrat dari fiksasi nitrogen industrial memungkinkan produksi industri nitrat berskala besar sebagai bahan baku dalam fabrikasi bahan peledak pada Perang Dunia abad ke-20.
Atom nitrogen memiliki tujuh elektron. Dalam keadaan dasar, mereka teratur dalam konfigurasi elektron 1s2s2p1x2p1y2p1z. Oleh karena itu, ada lima elektron valensi dalam orbital 2s dan 2p, tiga di antaranya (elektron p) tidak berpasangan. Ia adalah salah satu unsur dengan elektronegativitas tertinggi di antara unsur-unsur (3,04 pada skala Pauling), hanya dilampaui oleh klorin (3.16), oksigen (3,44), dan fluor (3,98). Sesuai tren periodik, radius kovalen ikatan tunggalnya 71 pm, lebih kecil daripada boron (84 pm) dan karbon (76 pm), tetapi lebih besar daripada oksigen (66 pm) dan fluor (57 pm). Anion nitrida, N jauh lebih besar, 146 pm, serupa dengan anion oksida (O: 140 pm) dan fluorida (F: 133 pm). Tiga energi ionisasi pertama nitrogen masing-masing 1,402; 2,856; dan 4,577 MJ·mol, dan jumlah dari energi ionisasi keempat dan kelima adalah 16,920 MJ·mol. Nitrogen tidak memiliki kimia kation sederhana, karena angka yang sangat tinggi ini.
Kurangnya nodus radial di subkelopak 2p secara langsung bertanggung jawab atas banyak sifat anomali dari baris pertama blok-p, terutama pada nitrogen, oksigen, dan fluor. Subkelopak 2p sangat kecil dan memiliki radius yang sangat mirip dengan kelopak 2s, sehingga memfasilitasi hibridisasi orbital. Hal ini juga menghasilkan gaya tarik elektrostatik yang sangat besar antara inti dan elektron valensi pada kelopak 2s dan 2p, menghasilkan elektronegativitas yang sangat tinggi. Hipervalensi hampir tidak dikenal dalam unsur 2p dengan alasan yang sama, karena elektronegativitas yang tinggi menyulitkan atom nitrogen kecil untuk menjadi atom sentral pada ikatan empat elektron tiga pusat yang kaya elektron karena akan cenderung menarik elektron dengan kuat pada dirinya sendiri. Jadi, terlepas dari posisi nitrogen di kepala golongan 15 tabel periodik, kimianya menunjukkan perbedaan yang sangat besar daripada kongenernya yang lebih berat fosforus, arsen, antimon, dan bismut.
Nitrogen dapat bermanfaat dibandingkan dengan tetangga horisontalnya karbon dan oksigen serta tetangga vertikalnya pada kolom pniktogen (fosforus, arsen, antimon, dan bismut). Meskipun masing-masing unsur periode 2 dari litium sampai nitrogen menunjukkan beberapa kemiripan dengan unsur periode 3 pada golongan berikutnya dari magnesium hingga belerang (dikenal sebagai hubungan diagonal), derajat mereka turun dengan tiba-tiba melewati pasangan boron-silikon, sehingga kesamaan nitrogen dengan belerang sebagian besar terbatas pada senyawa cincin nitrida belerang ketika dari kedua unsur tersebut hanya satu yang ada. Nitrogen jauh lebih menyerupai oksigen daripada karbon dengan elektronegativitas tinggi seiring dengan kemampuannya untuk berikatan hidrogen sekaligus membentuk kompleks koordinasi dengan menyumbangkan pasangan elektron sunyinya. Ini tidak berbagi kecenderungan karbon untuk katenasi, dengan rantai nitrogen terpanjang yang belum ditemukan hanya terdiri dari delapan atom nitrogen (PhN=N–N(Ph)–N=N–N(Ph)–N=NPh). Satu sifat nitrogen yang dibagi dengan kedua tetangga horisontalnya adalah ciri khasnya membentuk beberapa ikatan, biasanya dengan atom karbon, nitrogen, atau oksigen, melalui interaksi pπ–pπ; dengan demikian, misalnya, nitrogen terjadi sebagai molekul diatomik dan karenanya memiliki titik leleh (−210 °C) dan didih (−196 °C) yang jauh lebih rendah daripada unsur lainnya yang segolongan, karena molekul N2 hanya disatukan oleh interaksi van Der Waals yang lemah dan hanya ada sedikit elektron yang tersedia untuk seketika menciptakan dipol yang signifikan. Sifat ini tidak mungkin bagi tetangga vertikalnya; dengan demikian, senyawa nitrogen oksida, nitrit, nitrat, nitro-, nitroso-, azo-, dan diazo-, azida, sianat, tiosianat, dan turunan imino tidak menggema ke fosforus, arsen, antimon, atau bismut. Namun, dengan cara yang sama, kompleksitas asam okso fosforus tidak menggema dengan nitrogen.
Nitrogen memiliki dua isotop stabil: N dan N. Isotop pertama jauh lebih umum, menyusun 99,634% nitrogen alami, dan yang kedua (yang sedikit lebih berat) sisanya 0,366%. Hal ini menyebabkan berat atomnya menjadi sekitar 14,007 u. Kedua isotop stabil ini diproduksi melalui siklus CNO dalam bintang, namun N lebih umum terjadi karena tangkapan neutronnya adalah langkah pembatas laju.N adalah salah satu dari lima nuklida ganjil–ganjil yang stabil (suatu nuklida yang memiliki jumlah proton dan neutron ganjil); empat lainnya adalah H, Li, B, dan Ta.
Kelimpahan relatif N dan N hampir konstan di atmosfer tetapi dapat bervariasi di tempat lain, karena fraksinasi isotop alami dari reaksi redoks biologis dan penguapan amonia atau asam nitrat alami. Reaksi yang dimediasi secara biologis (misalnya, asimilasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi) sangat mengendalikan dinamika nitrogen di dalam tanah. Reaksi ini biasanya menghasilkan pengayaan N dari substrat dan penipisan produk.
Isotop berat N pertama kali ditemukan oleh S.M. Naudé pada tahun 1929, tidak lama setelah ditemukan isotop berat unsur tetangganya, oksigen dan karbon. Ini menyajikan salah satu tangkapan neutron termal terendah dari semua isotop. N sering digunakan dalam spektroskopi resonansi magnet inti (NMR) untuk menentukan struktur molekul yang mengandung nitrogen, karena spin inti fraksionalnya adalah satu setengah, yang menawarkan keuntungan untuk NMR seperti lebar garis yang lebih sempit. N, meskipun secara teoretis juga dapat digunakan, memiliki spin nuklir bulat dan dengan demikian memiliki momen quadrupol yang mengarah pada spektrum yang lebih luas dan kurang bermanfaat. NMR N tetap memiliki komplikasi yang tidak ditemui pada spektroskopi NMR yang lebih tinggi, H dan C. Kelimpahan alami N yang rendah (0,36%) secara signifikan mengurangi sensitivitas, masalah yang hanya diperparah oleh rasio giromagnetik yang rendah, (hanya 10,14% dari H). Alhasil, signal-to-noise ratio untuk H sekitar 300 kali lipat lebih besar daripada N pada kekuatan medan magnet yang sama. Hal ini dapat agak dikurangi dengan pengayaan isotop N melalui pertukaran kimia atau distilasi fraksional. Senyawa yang diperkaya N memiliki keuntungan bahwa dalam kondisi standar, mereka tidak mengalami pertukaran kimiawi atom nitrogen mereka dengan nitrogen di atmosfer, tidak seperti senyawa dengan isotop hidrogen, karbon, dan oksigen berlabel yang harus dijauhkan dari atmosfer. Rasio N:N umum digunakan dalam analisis isotop stabil di bidang geokimia, hidrologi, paleoklimatologi dan paleoseanografi, yang disebut δN.
Dari sepuluh isotop lain yang dihasilkan secara sintetis, mulai dari N sampai N, N memiliki waktu paruh sepuluh menit dan isotop sisanya memiliki waktu paruh dalam kisaran detik (N dan N) atau bahkan milidetik. Tidak ada isotop nitrogen lain yang mungkin terjadi karena mereka akan berada di luar garis tetesan nuklir, yang mengeluarkan proton atau neutron. Mengingat selisih waktu paruhnya, N adalah radioisotop nitrogen yang paling penting, umurnya cukup panjang untuk digunakan dalam tomografi emisi positron (positron emission tomography, PET), meskipun waktu paruhnya masih pendek maka harus dibuat di lokasi PET, misalnya dalam siklotron dengan cara O dibombardir dengan proton yang menghasilkan N dan partikel alfa.
Radioisotop N adalah radionuklida yang dominan di dalam pendingin reaktor air bertekanan atau reaktor air didih selama operasi normal, dan dengan demikian ini adalah indikator kebocoran yang sensitif dan cepat dari sistem pendingin utama ke siklus uap sekunder, dan merupakan alat pendeteksi utama kebocoran tersebut. N dihasilkan dari O (dalam air) melalui reaksi (n,p) di mana atom O menangkap sebuah neutron dan melepas sebuah proton. Ini memiliki waktu paruh pendek sekitar 7,1 detik, tetapi selama peluruhannya kembali ke O menghasilkan radiasi gamma berenergi tinggi (5 sampai 7 MeV). Oleh karena itu, akses ke pipa pendingin primer dalam reaktor air bertekanan harus dibatasi selama reaktor pembangkit beroperasi.
Nitrogen atom, juga dikenal sebagai nitrogen aktif, sangat reaktif, berbentuk triradikal dengan tiga elektron yang tidak berpasangan. Atom nitrogen bebas mudah bereaksi dengan sebagian besar unsur untuk membentuk nitrida, dan bahkan ketika dua atom nitrogen-bebas bertumbukan untuk menghasilkan molekul N2 yang tereksitasi, mereka dapat melepaskan begitu banyak energi pada tumbukan dengan molekul stabil semacam karbon dioksida dan air menyebabkan fisi homolitik yang menghasilkan radikal seperti CO dan O atau OH dan H. Nitrogen atomik disiapkan dengan melewatkan aliran listrik melalui gas nitrogen pada 0,1–2 mmHg, yang menghasilkan nitrogen atom bersamaan dengan emisi kuning peach yang memudar perlahan sebagai pendaran selama beberapa menit bahkan setelah aliran listrik berakhir.
Mengingat reaktivitas nitrogen atom yang besar, nitrogen elementer biasanya terjadi sebagai molekul N2, dinitrogen. Molekul ini adalah gas diamagnetik yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa pada kondisi standar: meleleh pada suhu −210 °C dan mendidih pada −196 °C. Dinitrogen relatif tidak reaktif pada suhu kamar, namun tetap bereaksi dengan logam litium dan beberapa kompleks logam transisi. Hal ini disebabkan ikatannya, yang unik di antara unsur diatomik pada kondisi standar karena memiliki ikatan rangkap tiga N≡N. Ikatan rangkap tiga memiliki panjang ikatan pendek (dalam hal ini, 109,76 pm) dan energi disosiasi yang tinggi (dalam hal ini, 945,41 kJ/mol), sehingga sangat kuat. Ini menjelaskan ke-inert-an kimia dinitrogen.
Ada beberapa indikasi teoretis bahwa oligomer dan polimer nitrogen lainnya memungkinkan. Jika bisa disintesis, mereka mungkin memiliki aplikasi potensial sebagai bahan dengan kepadatan energi yang sangat tinggi, yang bisa digunakan sebagai propelan atau bahan peledak yang kuat. Hal ini karena semuanya harus terurai menjadi dinitrogen, yang ikatan rangkap tiganya N≡N (energi ikatan 946 kJ⋅mol) jauh lebih kuat daripada ikatan rangkap dua N=N (418 kJ⋅mol) atau ikatan tunggal N–N (160 kJ⋅mol): memang, ikatan rangkap tiga memiliki lebih dari tiga kali energi daripada ikatan tunggal. (Kebalikannya berlaku untuk pniktogen yang lebih berat, yang lebih memilih alotrop poliatomik.) Kerugian besar adalah bahwa kebanyakan polinitrogen netral tidak diharapkan memiliki penghalang besar terhadap dekomposisi, dan beberapa pengecualian bahkan akan lebih menantang untuk disintesis daripada tetrahedran yang telah lama dicari namun masih belum diketahui. Ini berbeda dengan polinitrogen kationik dan anionik azida (N−3), pentazenium (N+5), dan pentazolida (aromatik siklik N−5) yang dicirikan dengan baik. Di bawah tekanan yang sangat tinggi (1,1 juta atm) dan suhu tinggi (2000 K), seperti yang diproduksi dalam sel landas berlian, nitrogen dipolimerisasi menjadi struktur kristal gauche kubus ikatan tunggal. Struktur ini mirip dengan berlian, dan keduanya memiliki ikatan kovalen yang sangat kuat, yang menghasilkan julukan "berlian nitrogen".
Pada tekanan atmosfer, nitrogen molekul mengembun (menjadi cair) pada suhu 77 K (−196,2 °C) dan membeku pada 63 K (−210,2 °C) ke bentuk alotropi kristal kemasan-rapat heksagonal (disebut fase alfa). Nitrogen cair, cairan tak berwarna yang berpenampilan menyerupai air, namun massa jenisnya hanya 80,8% dari massa jenis air (massa jenis nitrogen cair pada titik didihnya adalah 0,808 g/mL), adalah kriogen yang umum. Nitrogen padat memiliki banyak modifikasi kristal. Ia membentuk cakupan permukaan dinamis yang signifikan pada permukaan Pluto dan bulan bagian luar dari Tata Surya seperti Triton. Bahkan pada suhu rendah, nitrogen padat cukup mudah menguap dan dapat menyublim membentuk atmosfir, atau mengembun kembali ke dalam nitrogen beku. Ini sangat lemah dan mengalir dalam bentuk gletser dan pada geyser Triton, gas nitrogen berasal dari daerah kutub es kutub.
Contoh pertama kompleks dinitrogen yang ditemukan adalah [Ru(NH' Too many ('"; (lihat gambar di kanan), dan dengan cepat banyak kompleks lainnya ditemukan. Kompleks ini, di mana molekul nitrogen menyumbang setidaknya satu pasang elektron sunyinya ke kation logam pusat, menggambarkan bagaimana N2 dapat mengikat logam pada nitrogenase dan katalis untuk proses Haber: Proses ini yang melibatkan aktivasi dinitrogen sangat penting dalam biologi dan dalam produksi pupuk.
Dinitrogen mampu membentuk ikatan koordinasi dengan logam melalui lima cara berbeda. Cara yang lebih baik adalah donasi ujung M←N≡N (η) dan M←N≡N→M (μ, bis-η), di mana pasangan sunyi pada atom nitrogen disumbangkan ke kation logam. Cara yang kurang dicirikan dengan baik melibatkan dinitrogen yang menyumbangkan pasangan elektron dari ikatan rangkap tiganya, baik sebagai jembatan ligan ke dua kation logam (μ, bis-η) atau hanya ke satu kation (η). Cara kelima dan unik melibatkan tripel-koordinasi sebagai jembatan ligan, yang menyumbangkan seluruh tiga pasangan elektronnya dari ikatan rangkap tiga (μ3-N2). Beberapa kompleks memiliki beberapa ligan N2 dan beberapa fitur N2 yang terikat dalam berbagai cara. Ikatan dalam kompleks dinitrogen erat kaitannya dengan senyawa karbonil, meskipun N2 adalah donor σ dan akseptor π yang lebih lemah daripada CO, karena N2 isoelektronik dengan karbon monoksida (CO) dan asetilena (C). Studi teoretis menunjukkan bahwa donasi σ merupakan faktor yang lebih penting untuk memungkinkan pembentukan ikatan M–N daripada donasi balik π, yang pada dasarnya hanya melemahkan ikatan N–N, dan donasi ujung (η) lebih mudah dicapai daripada donasi sisi (η).
Saat ini, telah dikenal kompleks dinitrogen untuk hampir semua logam transisi, terhitung beberapa ratus senyawa. Mereka biasanya disiapkan melalui tiga metode:
Kadang-kadang ikatan N≡N dapat langsung terbentuk dalam suatu kompleks logam, misalnya dengan mereaksikan langsung amonia terkoordinasi (NH3) dengan asam nitrit (HNO2), tetapi ini tidak dapat diterapkan secara umum. Sebagian besar kompleks dinitrogen memiliki warna dalam kisaran putih-kuning-jingga-merah-coklat; diketahui ada sedikit pengecualian, seperti [{Ti(η–C5H5)2}2–(N2)] yang berwarna biru.
Nitrogen berikatan dengan hampir semua unsur dalam tabel periodik kecuali tiga gas mulia pertama, helium, neon, dan argon, dan beberapa unsur setelah bismut yang berumur sangat pendek, menciptakan berbagai macam senyawa biner dengan berbagai sifat dan aplikasi. Banyak senyawa biner yang diketahui (biasanya disebut nitrida) kecuali hidrida, oksida, dan fluorida nitrogen. Banyak fase stoikiometri yang ada untuk sebagian besar unsur (misalnya MnN, Mn, Mn, Mn, Mn, dan MnxN untuk 9,2 < x < 25,3). Mereka bisa diklasifikasikan sebagai "seperti garam" (sebagian besar ionik), kovalen, "seperti intan", dan metalik (atau interstisial), meskipun klasifikasi ini memiliki keterbatasan yang muncul justru dari kontinuitas jenis ikatan, bukannya jenis diskret dan terpisah seperti yang tersirat dari nama-nama klasifikasinya. Mereka umumnya disiapkan dengan mereaksikan langsung logam dengan nitrogen atau amonia (kadang-kadang setelah pemanasan), atau melalui dekomposisi termal amida logam:
Banyak varian yang mungkin terbentuk melalui proses ini. Nitrida yang paling ionik adalah yang berasal dari logam alkali dan alkali tanah, Li3N (Na, K, Rb, dan Cs tidak membentuk nitrida yang stabil karena alasan sterik) dan M (M = Be, Mg, Ca, Sr, Ba). Ini secara formal dapat dianggap sebagai garam anion N, meskipun pemisahan muatan tidak sepenuhnya lengkap bahkan untuk unsur-unsur yang sangat elektropositif ini. Namun, azida logam alkali NaN dan KN, menampilkan anion N linier, seperti, yang terkenal, Sr(N' Too many ('"; dan Ba(N' Too many ('";. Azida logam sub-golongan B (berada di golongan 11 sampai 16) jauh kurang ionik, memiliki struktur yang lebih rumit, dan mudah meledak ketika terkena kejut.
Banyak nitrida biner kovalen yang diketahui. Contohnya termasuk sianogen ((CN)), trifosforus pentanitrida (P), disulfur dinitrida (S), dan tetrasulfur tetranitrida (S). Silikon nitrida (Si) dan germanium nitrida juga dikenali pada dasarnya kovalen: terutama silikon nitrida yang merupakan bahan yang menjanjikan dalam pembuatan keramik jika tidak terkendala pada kerumitan proses sinteringnya. Khusus untuk nitrida golongan 13, yang merupakan bahan semikonduktor yang menjanjikan, adalah bahan yang isoelektrik dengan grafit dan silikon karbida, serta memiliki kemiripan truktur: ikatan mereka berubah dari kovalen ke ionik sepanjang golongan dari atas ke bawah. Secara khusus, karena unit B–N isoelektrik dengan C–C, dan ukuran karbon berada di antara boron dan nitrogen, banyak kimia organik menemukan gaung dalam kimia boron–nitrogen, seperti pada borazina ("benzena anorganik"). Meski demikian, analoginya tidak tepat sama karena mudahnya serangan nukleofilik kepada boron yang kekurangan elektron. Hal yang tidak mungkin terjadi dalam cincin yang hanya tersusun atas karbon saja.
Kategori nitrida terbesar adalah nitrida interstisial dengan rumus MN, M2N, dan M4N (walaupun variasi komposisi sangat dimungkinkan), di mana atom nitrogen yang kecil terletak di dalam celah pada kubik logam atau kisi kemasan-rapat heksagonal. Mereka tak tembus cahaya (opak), sangat keras, dan inert secara kimia, meleleh pada suhu yang sangat tinggi (umumnya di atas 2500 °C). Mereka memiliki kilau dan daya hantar listrik seperti logam. Mereka dapat menghasilkan amonia atau nitrogen melalui hidrolisis yang sangat lambat.
Anion nitrida (N) adalah donor π yang paling kuat di antara ligan yang diketahui (terkuat kedua adalah O). Kompleks nitrido umumnya dibuat melalui dekomposisi termal azida atau deprotonasi amonia, dan mereka biasanya melibatkan gugus {≡N} terminal. Anion azida N linier, yang isoelektrik dengan dinitrogen monoksida, karbon dioksida, dan sianat, membentuk banyak kompleks koordinasi. Katenasi lebih lanjut jarang dijumpai meskipun diketahui ada N (isoelektrik dengan karbonat dan nitrat).
Dalam skala industri, amonia (NH3) adalah senyawa nitrogen paling penting dan dibuat dalam jumlah yang lebih besar daripada senyawa lain, karena ia memberi kontribusi yang signifikan terhadap kebutuhan gizi organisme terestrial melalui perannya sebagai prekursor untuk makanan dan pupuk. Amonia adalah gas alkalis tak berwarna dengan aroma menusuk yang khas. Adanya ikatan hidrogen membawa dampak yang sangat signifikan pada amonia, tercermin dari tingginya titik leleh (−78 °C) dan titik didih (−33 °C). Dalam bentuk cair, ia merupakan pelarut yang baik dengan panas penguapan yang tinggi (memungkinkan digunakan dalam labu vakum), yang juga memiliki viskositas dan konduktivitas listrik rendah, konstanta dielektrik tinggi, serta massa jenis yang lebih kecil daripada air. Namun, ikatan hidrogen pada NH lebih lemah daripada dalam H karena elektronegativitas nitrogen lebih rendah daripada oksigen, dan pasangan elektron sunyi NH hanya satu dibandingkan H yang memiliki dua pasangan elektron sunyi. Amonia adalah basa lemah dalam larutan akuatik (pKb 4,74); asam konjugatnya adalah ion amonium, NH. Ia juga dapat bertindak selaku asam yang sangat lemah, kehilangan satu proton menghasilkan anion amida, NH. Oleh karena itu, amonia mengalami disosiasi diri, mirip dengan air, menghasilkan amonium dan amida. Amonia terbakar di udara atau oksigen, meski tidak mudah, menghasilkan gas nitrogen; ia terbakar dalam fluor dengan warna nyala kuning kehijauan menghasilkan nitrogen trifluorida. Reaksi dengan nonlogam lainnya sangat kompleks dan cenderung membentuk campuran produk. Amonia bereaksi pada pemanasan dengan logam membentuk nitrida.
Banyak nitrogen hidrida biner lainnya yang diketahui, tetapi yang paling penting adalah hidrazin (N) dan hidrogen azida (HN3). Meskipun bukan nitrogen hidrida, hidroksilamina (NH) memiliki sifat dan struktur yang mirip dengan amonia dan hidrazin. Hidrazin adalah cairan tak berwarna, berasap dan berbau seperti amonia. Sifat fisikanya sangat mirip dengan air (titik leleh 2,0 °C, titik didih 113,5 °C, massa jenis 1,0 g·cm). Meskipun merupakan senyawa endotermik, hidrazin stabil secara kinetik. Ia terbakar cepat dan sempurna di udara, dengan sangat eksotermal, menghasilkan nitrogen dan uap air. Hidrazin adalah reduktor serbaguna yang sangat bermanfaat dan merupakan basa yang lebih lemah daripada amonia. Ia juga umum digunakan sebagai bahan bakar roket.
Hidrazin umumnya dibuat melalui reaksi antara amonia dengan basa natrium hipoklorit dengan adanya gelatin atau lem:
(Serangan oleh hidroksida dan amonia dapat dibalik, sehingga melewati zat antara NHCl). Alasan penambahan gelatin adalah untuk menghilangkan ion logam seperti Cu yang mengkatalisis destruksi hidrazin melalui reaksi dengan kloramina (NH) menghasilkan amonium klorida dan nitrogen.
Hidrogen azida (HN3) pertama kali diproduksi pada tahun 1890 melalui oksidasi larutan hidrazin menggunakan asam nitrit. HN3 sangat eksplosif dan bahkan larutan encernya dapat membahayakan. Ia memiliki bau yang tidak enak dan dan menjengkelkan serta merupakan racun yang berpotensi mematikan (tetapi tidak kumulatif). Hidrogen azida dapat dianggap sebagai asam konjugat dari anion azida, dan analog dengan hidrogen halida.
Empat nitrogen trihalida sederhana seluruhnya telah diketahui. Diketahui pula beberapa campuran halida dan hidrohalida, tetapi sebagian besar tak stabil dan tidak menarik: contohnya meliputi NClF2, NCl2F, NBrF2, NF2H, NCl2H, dan NClH2.
Diketahui lima nitrogen fluorida. Nitrogen trifluorida (NF3, pertama kali dibuat tahun 1928) adalah gas tak berwarna dan tak berbau yang stabil secara termodinamika, dan paling mudah dibuat melalui elektrolisis lelehan amonium fluorida yang dilarutkan dalam hidrogen fluorida. Seperti karbon tetraklorida, nitrogen trifluorida sama sekali tidak reaktif dan stabil dalam larutan asam atau basa encer. Hanya ketika dipanaskan, ia bertindak sebagai zat fluorinasi, dan bereaksi dengan tembaga, arsenik, antimon, dan bismut pada suhu tinggi membentuk tetrafluorohidrazin (N). Kation NF dan N juga diketahui (yang terakhir hasil dari reaksi tetrafluorohidrazin dengan akseptor fluorida kuat seperti arsenik pentafluorida), dengan adanya ONF3, yang telah terpolarisasi karena jarak N–O yang pendek seolah-olah merupakan ikatan ganda parsial dan ikatan N–F yang sangat polar dan panjang. Tetrafluorohidrazin, tidak seperti hidrazin itu sendiri, dapat terdisosiasi pada suhu sama dengan atau lebih tinggi daripada suhu ruang menghasilkan radikal NF2•. Fluor azida (FN3) sangat eksplosif dan tidak stabil secara termal. Dinitrogen difluorida (N) terdapat sebagai isomer cis dan trans yang dapat saling tukar satu sama lain sesuai perubahan suhu, dan merupakan produk pertama yang dijumpai sebagai hasil dekomposisi FN3.
Nitrogen triklorida (NCl3) adalah cairan bermassa jenis tinggi, mudah menguap, dan mudah meledak yang sifat fisikanya mirip dengan karbon tetraklorida, meskipun ada satu perbedaan yaitu NCl3 mudah terhidrolisis oleh air, sedangkan CCl4 tidak. NCl3 pertama kali disintesis oleh Pierre Louis Dulong pada tahun 1811, yang kehilangan tiga jari dan satu matanya karena kecenderungan zatnya yang eksplosif. Sebagai gas encer, ia kurang berbahaya dan oleh karenanya digunakan pada industri untuk memutihkan dan mensterilkan tepung. Nitrogen tribromida (NBr3), pertama kali dibuat tahun 1975, adalah padatan merah tua, peka terhadap suhu, dan mudah menguap, yang mudah meledak meski pada suhu −100 °C sekalipun. Nitrogen triiodida (NI3) lebih tidak stabil dan hanya sekali dibuat tahun 1990. Senyawa aduknya dengan amonia, yang telah diketahui sebelumnya, sangat peka terhadap goncangan: ia dapat meledak oleh bulu, angin, atau bahkan partikel alfa. Berdasarkan alasan ini, sejumlah kecil nitrogen triiodida kadang-kadang disintesis untuk demonstrasi pada mata pelajaran kimia di SMA atau untuk atraksi "sulap kimia".
Dikenal dua kelompok oksohalida nitrogen: nitrosil halida (XNO) dan nitril halida (XNO2). XNO adalah gas yang sangat reaktif yang dapat dibuat melalui halogenasi langsung dinitrogen monoksida. Nitrosil fluorida (NOF) tak berwarna dan zat fluorinasi kuat. Nitrosil klorida (NOCl) berperilaku sama dan telah sering digunakan sebagai pelarut pengion. Nitrosil bromida (NOBr) berwarna merah. Reaksi nitril halida sebagian besar mirip: nitril fluorida (FNO2) dan nitril klorida (ClNO2) keduanya adalah gas reaktif dan zat halogenasi kuat.
Nitrogen membentuk sembilan molekul oksida, beberapa di antaranya merupakan gas pertama yang diidentifikasi: N2O (dinitrogen monoksida), NO (nitrogen monoksida), N (dinitrogen trioksida), NO2 (nitrogen dioksida), N (dinitrogen tetroksida), N (dinitrogen pentoksida), NO3 (nitrogen trioksida), N4O (nitrosilazida), dan N(NO' Too many ('"; (trinitramida). Semuanya secara termal tidak stabil terhadap dekomposisi menjadi unsur-unsurnya. Satu oksida yang mungkin tetapi belum pernah disintesis adalah oksatetrazola (N4O), sebuah cincin aromatis.
Dinitrogen oksida (N2O), yang lebih dikenal sebagai gas gelak atau gas tawa (karena efeknya yang membuat tertawa), dibuat melalui dekomposisi termal amonium nitrat pada 250 °C. Ini adalah reaksi redoks sehingga nitrogen monoksida dan nitrogen juga dihasilkan sebagai produk sampingan. N2O banyak digunakan sebagai propelan dan zat pengaerasi untuk es krim kocok, dan pernah digunakan sebagai anastesi umum. Terlepas dari penampilannya, ia tidak dapat dianggap sebagai anhidrida asam hiponitrit (H) karena asam tersebut tidak diproduksi melalui pelarutan dinitrogen monoksida dalam air. Ini agak tidak reaktif (tidak bereaksi dengan halogen, logam alkali, atau ozon pada suhu ruang, meskipun reaktivitasnya meningkat pada pemanasan) dan memiliki struktur tak simetris N–N–O (N≡NO↔N=N=O): di atas 600 °C ia terdisosiasi dengan memutus ikatan N–O yang lebih lemah.
Nitrogen monoksida (NO) adalah molekul stabil paling sederhana dengan jumlah elektron ganjil. Pada mamalia, termasuk manusia, ini merupakan molekul pensinyalan sel yang penting yang terlibat dalam banyak proses fiiologis dan patologis. NO terbentuk melalui oksidasi katalitik amonia. Ia merupakan gas paramagnetik tak berwarna yang, karena secara termodinamika tak stabil, terurai menjadi gas nitrogen dan oksigen pada 1100–1200 °C. Ikatannya mirip dengan nitrogen, tapi satu elektron tambahan ditambahkan pada orbital anti ikatan π* sehingga orde ikatan berkurang menjadi sekitar 2,5. Oleh karena itu, dimerisasi menjadi O=N–N=O tidak terjadi kecuali di bawah titik didihnya (ketika isomer cis lebih stabil) karena sejatinya tidak terjadi peningkatan orde ikatan total dan karena elektron tak berpasangan terdelokalisasi di seberang molekul NO, maka memberikan kestabilan. Terdapat pula bukti untuk dimer O=N–O=N merah asimetris ketika nitrogen monoksida terkondensasi dengan molekul polar. Ia bereaksi dengan oksigen menghasilkan nitrogen dioksida yang berwarna coklat dan dengan halogen menghasilkan nitrosil halida. Ia juga bereaksi dengan senyawa logam transisi menghasilkan kompleks nitrosil, yang sebagian besar berwarna tajam.
Dinitrogen trioksida (N) yang berwarna biru hanya terdapat sebagai padatan karena ia cepat terdisosiasi di atas titik lelehnya menghasilkan nitrogen monoksida, nitrogen dioksida (NO), dan dinitrogen tetroksida (N). Dua senyawa yang terakhir sulit diteliti terpisah karena kesetimbangan yang muncul di antara keduanya. Meskipun kadang dinitrogen tetroksida dapat bereaksi melaluu fisi heterolitik dengan nitrosonium dan nitrat dalam medium dengan konstanta dielektrik tinggi. Nitrogen dioksida adalah gas berwarna cokelat korosif yang tajam. Kedua senyawa tersebut dapat dengan mudah disiapkan dengan cara mendekomposisi nitrat logam kering. Keduanya bereaksi dengan air membentuk asam nitrat. Dinitrogen tetroksida sangat berguna untuk pembuatan nitrat logam anhidrat dan kompleks nitrato, dan ini menjadi oksidator pilihan yang stabil untuk banyak roket di Amerika Serikat dan Uni Soviet pada akhir 1950-an. Ini karena dinitrogen tetroksida adalah propelan hipergolik yang dikombinasikan dengan bahan bakar roket berbasis hidrazin dan dapat dengan mudah disimpan karena berbentuk cair pada suhu ruang.
Dinitrogen pentoksida (N), yang secara termal tidak stabil dan sangat reaktif, adalah anhidrida asam nitrat, dan dapat dibuat dari dehidrasi asam nitrat dengan fosforus pentoksida. Sangat menarik untuk persiapan bahan peledak. Dinitrogen pentoksida adalah padatan kristal higroskopis yang peka terhadap cahaya. Dalam keadaan padat ia bersifat ionik dengan struktur [NO' Too many ('";; sebagai gas dan dalam larutan ia berbentuk molekul O2N–O–NO2. Hidrasi menjadi asam nitrat berlangsung cepat, seperti halnya reaksi dengan hidrogen peroksida menghasilkan asam peroksinitrat (HOONO2). N adalah oksidator sangat kuat. Gas dinitrogen pentoksida terdekomposisi sebagai berikut:
Banyak asam okso nitrogen yang diketahui, meskipun sebagian besar tidak stabil sebagai senyawa murni dan hanya dikenali sebagai larutan atau sebagai garam. Asam hiponitrit (H) adalah asam lemah diprotik dengan struktur HON=NOH (pKa1 6,9, pKa2 11,6). Larutan asamnya cukup stabik tetapi pada pH di atas 4 terjadi dekomposisi yang dikatalisis basa melalui [HONNO] menjadi dinitrogen monoksida dan anion hidroksida. Hiponitrit (yang melibatkan anion N) stabil terhadap reduktor dan umumnya lebih bertindak selaku reduktor itu sendiri. Mereka adalah tahap intermediat pada oksidasi amonia menjadi nitrit, yang terjadi dalam siklus nitrogen. Hiponitrit dapat bertindak selaku jembatan atau ligan pengkhelat bidentat.
Asam nitrit (HNO2) tidak terdapat sebagai senyawa murni, tetapi adalah komponen umum dalam kesetimbangan gas dan dalam larutan akuatiknya merupakan pelarut penting. Larutan akuatiknya dapat dibuat dari asidifikasi larutan nitrit (NO) dingin, meskipun pada suhu ruang mengalami disproporsionasi menjadi nitrat dan nitrogen oksida secara signifikan. Asam nitrit adalah asam lemah dengan pKa 3,35 pada 18 °C. Nitrit dapat dianalisis dengan metode titrimetri melalui oksidasinya menjadi nitrat menggunakan oksidator permanganat. Mereka mudah direduksi menjadi dinitrogen monoksida dan nitrogen oksida oleh belerang dioksida, menjadi asam hiponitrit oleh timah(II), dan menjadi amonia oleh hidrogen sulfida. Garam hidrazinium N bereaksi dengan asam nitrit menghasilkan azida yang bereaksi lebih lanjut menghasilkan dinitrogen monoksida dan nitrogen. Natrium nitrit agak beracun pada konsentrasi di atas 100 mg/kg, tetapi sejumlah kecil sering digunakan untuk memulihkan daging dan sebagai pengawet untuk menghindari pembusukan bakteri. Ia juga digunakan untuk sintesis hidroksilamina dan diazotasi amina aromatik primer sebagai berikut:
Nitrit juga merupakan ligan umum yang dapat membentuk ikatan koordinasi dengan lima cara. Cara yang paling umum adalah nitro (ikatan dari nitrogen) dan nitrito (ikatan dari oksigen). Isomerisme nitro-nitrito merupakan hal umum, dengan bentuk nitrito biasanya kurang stabil.
Asam nitrat (HNO3) adalah asam okso nitrogen yang paling penting dan paling stabil. Ia adalah salah satu dari tiga asam yang paling banyak digunakan (dua lainnya adalah asam sulfat dan asam klorida) dan merupakan yang pertama ditemukan oleh alkimiawan pada abad ke-13. Asam nitrat dibuat melalui oksidasi katalitik amonia menjadi nitrogen oksida, yang kemudian dioksidasi menjadi nitrogen dioksida, lalu dilarutkan dalam air menghasilkan asam nitrat pekat. Lebih dari tujuh juta ton asam nitrat diproduksi di Amerika Serikat per tahunnya, sebagian besar digunakan sebagai bahan baku produksi nitrat untuk pupuk dan bahan peledak, di antara penggunaan-penggunaan lainnya. Asam nitrat anhidrat dibuat melalui distilasi asam nitrat pekat dengan fosforus pentoksida pada tekanan rendah menggunakan peralatan gelas dalam kondisi gelap. Asam nitrat anhidrat hanya dapat dibuat dalam keadaan padat, karena pada saat meleleh ia terdekomposisi spontan menjadi nitrogen dioksida, dan asam nitrat cair yang akan mengalami ionisasi diri sebagai berikut:
Diketahui terdapat dua hidrat, HNO dan HNO, yang dapat dikristalisasi. Ia adalah asam kuat dan larutan pekatnya adalah oksidator kuat, meskipun tidak dapat menyerang emas, platina, rodium, dan iridium. Campuran asam klorida pekat dan asam nitrat pekat (3:1) masih lebih kuat dan dapat melarutkan emas dan platina, karena pembentukan klor bebas dan nitrosil klorida, dan anion klorida dapat membentuk kompleks yang kuat. Dalam asam sulfat peka, asam nitrat terprotonasi membentuk ion nitronium, yang dapat bertindak sebagai elektrofil untuk nitrasi aromatik:
Kestabilan termal nitrat (melibatkan anion NO trigonal planar) bergantung pada kebasaan logam, dan juga produk dekomposisinya (termolisis), yang dapat bervariasi antara nitrit (misalnya, natrium), oksida (kalium dan timbal), atau bahkan logam itu sendiri (perak) bergantung pada kestabilan relatifnya. Nitrat juga merupakan ligan umum dengan beragam moda koordinasi.
Akhirnya, meskipun asam ortonitrat (H), yang analog dengan asam ortofosfat, tidak ada, anion ortonitrat NO berstruktur tetrahedal dikenal dalam garam natrium dan kaliumnya:
Garam kristal putih ini sangat peka terhadap uap air dan karbon dioksida di udara:
Terlepas dari keterbatasan kimianya, anion ortonitrat menarik dari sudut pandang struktur karena bentuk tetrahedral regulernya dan panjang ikatan N–O yang pendek, memberikan implikasi karakter polar yang signifikan pada ikatannya.
Nitrogen adalah salah satu unsur paling penting dalam kimia organik. Banyak gugus fungsional organik terlibat dalam ikatan karbon-nitrogen, seperti amida (RCONR2), amina (R3N), imina (RC(=NR)R), imida ((RCO)2NR), azida (RN3), senyawa azo (RN2R), sianat dan isosianat (ROCN atau RCNO), nitrat (RONO2), nitril dan isonitril (RCN atau RNC), nitrit (RONO), senyawa nitro (RNO2), senyawa nitroso (RNO), oksima (RCR=NOH), dan derivat piridina. Ikatan C–N terpolarisasi kuat ke arah nigrogen. Dalam senyawa ini, nitrogen biasanya trivalen (meskipun dapat membentuk tetravalen dalam kation amonium kuarterner, R), dengan pasangan elektron sunyi yang menyumbang alkalinitas pada senyawa dengan membentuk koordinasi dengan proton. Hal ini dapat ditiadakan oleh faktor lain: misalnya, amida tidak bersifat basa karena pasangan sunyinya terdelokalisasi ke dalam ikatan rangkap (meskipun mereka mungkin bertindak selaku basa pada pH yang sangat rendah, terprotonasi pada oksigen), dan pirola tidak asam karena pasangan sunyinya terdelokalisasi sebagai bagian dari cincin aromatik. Jumlah nitrogen dalam zat kimia dapat ditentukan menggunakan metode Kjeldahl. Secara khusus, nitrogen adalah komponen esensial asam nukleat, asam amino dan akibatnya protein, dan molekul pembawa energi adenosin trifosfat sehingga vital bagi kehidupan di muka bumi.
Nitrogen adalah unsur murni yang paling umum di dalam tanah, menyusun 78,1% dari seluruh volume atmosfer. Terlepas dari hal ini, nitrogen tidak begitu melimpah di kerak bumi, hanya terdapat 19 bagian per juta, setara dengan niobium, galium, dan litium. Satu-satunya mineral nitrogen yang penting adalah niter (kalium nitrat, saltpeter) dan sodaniter (natrium nitrat, saltpeter Chile). Namun, keduanya tidak lagi menjadi sumber nitrat penting sejak tahun 1920an, ketika sintesis amonia dan asam nitrat berskala industri menjadi lumrah.
Senyawa nitrogen secara konstan mengalami pertukaran antara atmosfer dan organisme hidup. Nitrogen pertama kali harus diolah, atau "difiksasi", menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh tumbuhan, biasanya amonia. Beberapa fiksasi nitrogen terjadi akibat sambaran petir yang menghasilkan oksida nitrogen, tetapi sebagian besar dilakukan oleh bakteri diazotropik melalui enzim yang dikenal sebagai nitrogenase (meskipun saat ini fiksasi nitrogen industri menjadi amonia juga signifikan). Ketika amonia diasup oleh tanaman, amonia digunakan untuk mensintesis protein. Tanaman kemudian dimakan oleh hewan yang menggunakan senyawa nitrogen untuk mensintesis protein mereka sendiri dan mengekskresikan kotoran yang kaya nitrogen. Akhirnya, organisme ini mati dan terdekomposisi, mengalami oksidasi bakteri dan lingkungan serta denitrifikasi, mengembalikan dinitrogen bebas ke atmosfer. Fiksasi nitrogen industri dengan proses Haber sebagian besar digunakan sebagai pupuk, meskipun kelebihan limbah kaya nitrogen, ketika tercuci, menyebabkan eutrofikasi air tawar dan pembentukan perairan zona mati, karena pertumbuhan bakteri yang digerakkan nitrogen menekan oksigen air hingga titik di mana semua organisme tinggi mati. Selain itu, dinitrogen monoksida, yang dihasilkan selama proses denitrifikasi, menyerang lapisan ozon atmosferik.
Banyak ikan air laut menghasilkan trimetilamina oksida dalam jumlah besar untuk melindungi mereka dari efek osmotik lingkungan mereka yang tinggi; perubahan senyawa ini menjadi dimetilamina adalah sunber awal bau tidak sedap ikan air laut yang tidak segar lagi. Pada hewan, radikal bebas nitrogen oksida (diturunkan dari asam amino) berperan sebagai molekul pengatur yang penting untuk sirkulasi.
Reaksi cepat nitrogen oksida dengan air dalam hewan menghasilkan produk nitrit dalam metabolitnya. Metabolisme nitrogen protein pada hewan, umumnya, berakhir pada ekskresi urea, sementara metabolisme asam nukleat pada hewang berujung pada ekskresi urea dan asam urat. Bau yang khas dari pembusukan daging hewan disebabkan oleh pembentukan amina rantai panjang, seperti tetra- dan pentametilendiamina, yang merupakan produk pemecahan asam amino ornitin dan lisin, dalam penguraian protein.
Gas nitrogen adalah gas industri yang diproduksi melalui distilasi fraksional udara cair, atau melalui cara mekanis dengan menggunakan bahan baku udara (membran osmosis balik bertekanan atau penjerapan ayun tekanan). Generator gas nitrogen yang menggunakan membran atau penjerapan ayun tekanan (bahasa Inggris: pressure swing adsorption, PSA) biasanya lebih efisien dari sisi biaya dan energi dibandingkan nitrogen bertekanan yang disimpan dan dikirim di dalam tabung. Nitrogen komersial sering kali merupakan hasil samping dari pengolahan udara untuk pemekatan industri oksigen untuk pengolahan baja dan penggunaan lainnya. Ketika dipasok sebagai gas bertekanan dalam tabung, sering kali disebut sebagai nitrogen bebas oksigen (oxygen-free nitrogen, OFN). Nitrogen dengan derajat kemurnian komersial sudah mengandung setinggi-tingginya 20 ppm oksigen, dan tersedia juga dengan derajat kemurnian khusus yang mengandung setinggi-tingginya 2 ppm oksigen dan 10 ppm argon.
Di laboratorium kimia, nitrogen dibuat melalui perlakuan larutan amonium klorida dengan natrium nitrit.
Sejumlah kecil ketakmurnian NO dan HNO3 juga terbentuk melalui reaksi ini. Ketakmurnian dapat dihilangkan dengan melewatkan gas yang terbentuk melalui larutan asam sulfat yang mengandung kalium dikromat. Nitrogen yang sangat murni dapat dibuat melalui dekomposisi termal barium azida atau natrium azida.
Aplikasi senyawa nitrogen sangat beragam karena masifnya ukuran kelompok ini: oleh karena itu, hanya aplikasi nitrogen murni yang menjadi perhatian pada artikel ini. Dua per tiga nitrogen yang diproduksi oleh industri dijual sebagai gas dan sepertiga sisanya sebagai nitrogen cair. Sebagian besar gas tersebut digunakan sebagai atmosfer inert ketika oksigen di udara menyebabkan bahaya api, ledakan, atau oksidasi. Beberapa contohnya meliputi:
Nitrogen umum digunakan selama preparasi sampel pada analisis kimia. Ia digunakan untuk memekatkan dan mengurangi volume sampel cair. Dengan mengarahkan aliran gas nitrogen bertekanan tegak lurus terhadap permukaan cairan menyebabkan pelarut menguap sambil meninggalkan zat terlarut dan pelarut yang tidak diuapkan.
Nitrogen dapat digunakan sebagai pengganti, atau dikombinasikan dengan, karbon dioksida dalam tong bertekanan untuk bir, terutama stout dan ale Inggris, karena gelembung yang dihasilkan lebih kecil, sehingga membuat aliran bir lebih halus dan lebih berbusa. Kapsul nitrogen peka tekanan yang umumnya dikenal sebagai "widget" memungkinkan bir bermuatan nitrogen untuk dikemas dalam kaleng dan botol. Nitrogen juga menggantikan karbon dioksida sebagai sumber tenaga utama untuk senjata paintball. Nitrogen harus disimpan pada tekanan yang lebih tinggi daripada CO2, sehingga tangki N2 lebih berat dan lebih mahal. Nitrogen juga menjadi pilihan gas inert untuk asfiksia gas inert, dan sedang dipertimbangkan untuk menggantikan suntik mati di Oklahoma. Gas nitrogen, yang dibuat dari dekomposisi natrium azida, digunakan untuk menggembungkan kantung udara.
Nitrogen cair adalah cairan kriogenik. Ketika disimpan dalam wadah bertutup rapat yang tepat seperti labu Dewar, nitrogen cair dapat dipindahkan tanpa banyak mengalami kehilangan akibat penguapan.
Seperti es kering, penggunaan utama nitrogen cair adalah sebagai refrigeran. Di antara kegunaan lain, ia digunakan dalam kriopreservasi darah, sel reproduksi (sperma dan sel telur), dan bahan serta sampel biologi lainnya. Nitrogen cair digunakan dalam tindakan klinis untuk krioterapi untuk menghilangkan kista dan kutil pada kulit. Cairan ini digunakan dalam perangkap dingin untuk peralatan laboratorium tertentu dan untuk mendinginkan detektor inframerah atau detektor sinar-X. Ia juga digunakan untuk mendinginkan unit pemroses sentral (central processing unit, CPU) dan peralatan lain di dalam komputer yang dioverclock, dan yang menghasilkan lebih banyak panas pada pengoperasian normal. Penggunaan lain meliputi sebagai penggerus beku dan bahan mesin yang lunak atau elastis pada suhu ruang, komponen perakitan dan penghubung, dan yang lebih umum untuk memperoleh suhu sangat rendah kapanpun diperlukan (sekitar −200 °C). Saking murahnya, nitrogen cair juga sering digunakan meskipun suhu rendah tidak terlalu diperlukan, seperti pendingin makanan, pengecapan ternak, membekukan pipa untuk menghentikan aliran jika tidak terdapat katup, dan mengukuhkan tanah yang tidak stabil dengan pembekuan setiap kali bagian bawahnya digali.
Meskipun nitrogen tidak beracun, jika dilepaskan ke dalam ruang tertutup ia dapat menyingkirkan oksigen, sehingga menyebabkan bahaya asfiksia. Hal ini dapat terjadi dengan gejala yang minimal, karena badan karotid manusia memiliki sistem penginderaan hipoksia (kekurangan oksigen) yang buruk serta lambat. Contohnya terjadi sesaat sebelum peluncuran misi pesawat ulang-alik pertama pada tahun 1981, ketika dua orang teknisi meninggal akibat asfiksia setelah mereka berjalan menuju suatu ruangan di dalam Mobile Launcher Platform yang diberi tekanan menggunakan nitrogen murni sebagai pencegah kebakaran.
Ketika terhirup pada tekanan parsial tinggi (lebih dari 4 bar, sekitar kedalaman 30 m pada selam scuba), nitrogen bersifat anestesi, menyebabkan narkosis nitrogen, suatu kondisi gangguan mental sementara yang mirip dengan keracunan dinitrogen monoksida.
Nitrogen larut dalam darah dan lemak tubuh. Dekompresi yang cepat (seperti ketika penyelam naik terlalu cepat ke permukaan, atau astronaut mengalami dekompresi terlalu cepat dari tekanan kabin ke tekanan pakaian) dapat mengakibatkan kondisi fatal yang disebut penyakit dekompresi, ketika nitrogen menggelembung dari dalam aliran darah, saraf, sendi, dan bagian sensitif atau vital lainnya. Gelembung dari gas "inert" lainnya (gas selain karbon dioksida dan oksigen) menyebabkan efek yang sama, sehingga penggantian nitrogen dalam gas napas dapat mencegah narkosis nitrogen, tetapi tidak dapat mencegah penyakit dekompresi.
Sebagai cairan kriogenik, nitrogen cair dapat membahayakan karena dapat menyebabkan radang dingin jika tersentuh, meskipun efek Leidenfrost memberikan perlindungan pada paparan yang sangat singkat (sekitar satu detik). Menelan nitrogen cair dapat menyebabkan kerusakan organ dalam. Contohnya, pada tahun 2012, seorang wanita muda di Inggris harus menjalani pengangkatan lambung setelah memakan koktail yang dibuat dengan nitrogen cair.
Gaya yang luar biasa besar dapat timbul jika nitrogen cair diuapkan dengan cepat di dalam ruang tertutup, karena rasio ekspansi gas-cair nitrogen adalah 1:694 pada 20 °C. Pada insiden 12 Januari 2006 di Texas A&M University, suatu tangki nitrogen cair, yang modul pembuang tekanannya mengalami malfungsi, disegel. Alhasil, tekanan berangsur-angsur meningkat, dan tangki meledak. Gaya yang dihasilkan dari ledakan tersebut cukup untuk mendorong tangki menembus langit-langit di atasnya, menghancurkan balok beton bertulang di bawahnya, dan menghempaskan dinding laboratorium sejauh 0,1–0,2 m dari pondasinya.
Nitrogen cair mudah menguap menjadi nitrogen gas, sehingga pencegahan yang berhubungan dengan gas nitrogen juga berlaku untuk nitrogen cair. Contohnya, sensor oksigen kadang-kadang digunakan sebagai tindakan keselamatan ketika berkerja dengan nitrogen cair untuk memperingatkan pekerja terhadap percikan gas ke dalam ruang terbatas.
Bejana yang berisi nitrogen cair dapat mengembunkan oksigen dari udara. Cairan dalam bejana semacam ini menjadi kaya oksigen (titik didih −183 °C) karena nitrogen menguap, dan dapat menyebabkan oksidasi hebat pada bahan organik.