Nitrogen

Sejarah

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

Atom nitrogen memiliki tujuh elektron. Dalam keadaan dasar, mereka teratur dalam konfigurasi elektron 1s²2s²2p1x2p1y2p1z. 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, N³⁻ jauh lebih besar, 146 pm, serupa dengan anion oksida (O²⁻: 140 pm) dan fluorida (F⁻: 133 pm). Tiga energi ionisasi pertama nitrogen masing-masing 1,402; 2,856; dan 4,577 MJ·mol⁻¹, dan jumlah dari energi ionisasi keempat dan kelima adalah 16,920 MJ·mol⁻¹. 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.

Isotop

Nitrogen memiliki dua isotop stabil: ¹⁴N dan ¹⁵N. 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 ¹⁴N lebih umum terjadi karena tangkapan neutronnya adalah langkah pembatas laju.¹⁴N adalah salah satu dari lima nuklida ganjil–ganjil yang stabil (suatu nuklida yang memiliki jumlah proton dan neutron ganjil); empat lainnya adalah ²H, ⁶Li, ¹⁰B, dan ¹⁸⁰ᵐTa.
Kelimpahan relatif ¹⁴N dan ¹⁵N 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 ¹⁵N dari substrat dan penipisan produk.
Isotop berat ¹⁵N 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. ¹⁵N 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. ¹⁴N, 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 ¹⁵N tetap memiliki komplikasi yang tidak ditemui pada spektroskopi NMR yang lebih tinggi, ¹H dan ¹³C. Kelimpahan alami ¹⁵N yang rendah (0,36%) secara signifikan mengurangi sensitivitas, masalah yang hanya diperparah oleh rasio giromagnetik yang rendah, (hanya 10,14% dari ¹H). Alhasil, signal-to-noise ratio untuk ¹H sekitar 300 kali lipat lebih besar daripada ¹⁵N pada kekuatan medan magnet yang sama. Hal ini dapat agak dikurangi dengan pengayaan isotop ¹⁵N melalui pertukaran kimia atau distilasi fraksional. Senyawa yang diperkaya ¹⁵N 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 ¹⁵N:¹⁴N umum digunakan dalam analisis isotop stabil di bidang geokimia, hidrologi, paleoklimatologi dan paleoseanografi, yang disebut δ¹⁵N.
Dari sepuluh isotop lain yang dihasilkan secara sintetis, mulai dari ¹²N sampai ²³N, ¹³N memiliki waktu paruh sepuluh menit dan isotop sisanya memiliki waktu paruh dalam kisaran detik (¹⁶N dan ¹⁷N) 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, ¹³N 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 ¹⁶O dibombardir dengan proton yang menghasilkan ¹³N dan partikel alfa.
Radioisotop ¹⁶N 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. ¹⁶N dihasilkan dari ¹⁶O (dalam air) melalui reaksi (n,p) di mana atom ¹⁶O menangkap sebuah neutron dan melepas sebuah proton. Ini memiliki waktu paruh pendek sekitar 7,1 detik, tetapi selama peluruhannya kembali ke ¹⁶O 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.

Alotrop

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⁻¹) jauh lebih kuat daripada ikatan rangkap dua N=N (418 kJ⋅mol⁻¹) atau ikatan tunggal N–N (160 kJ⋅mol⁻¹): 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.

Halida dan oksohalida

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 (N₂F₄). Kation NF⁴⁺ dan N₂F+3 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 (N₂F₂) 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.

Senyawa nitrogen organik

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, R₄N⁺), 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.

Keterjadian

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.

Cairan

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.

Gas

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.

Cairan

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.