氮元素

**氮**（拼音：dàn，注音：ㄉㄢˋ；英語：Nitrogen），是一種化學元素，化學符號為 **N**，原子序數為 7，原子量為 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獨立完成了相關研究，但因為盧瑟福更早公開發表而廣受讚譽。1790 年，法國化學家讓 - 安托萬・沙普塔提出了氮的法文命名 _nitrogène_，因為在當時，氮多出現於硝酸和硝酸鹽中。由於氮無法用於呼吸，安托萬 - 洛朗・德・拉瓦錫提出了另一個英文命名 _azote_，取自希臘語_ἄζωτος_，意思是「沒有生命的」。這個名稱被多數其他語言使用，例如法語、俄語等。同時，_azote_ 也出現在含氮相關化合物的英文名中。

氮是元素週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。在標準溫度和壓強下，兩個氮原子可以結合形成氮氣（ ${\ce {N2}}$ ）。氮氣是一種無色無味的雙原子氣體，在大氣中的含量約為 78%，也是大氣中最穩定的氣體之一。氮也存在於生物的胺基酸、蛋白質和核酸中。人體中氮元素的質量約占 3%，僅次於氧、碳和氫。氮循環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轉移過程。

很多工業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機硝酸鹽、氰化物等。氮原子之間可以形成非常牢固的氮氮三鍵（ ${\ce {N#N}}$ ）（強度僅次於一氧化碳（ ${\ce {CO}}$ ）的鍵強）。無論在工業或是生物體中，將氮轉化為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，同時放出大量的反應熱。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）。

## 名稱和歷史

氮及其化合物歷史悠久。氮一般被認為是被蘇格蘭物理學家丹尼爾・盧瑟福在 1772 年發現的。他發現將生物放入這種氣體中時都會窒息而死，因而將氮氣叫做**有害氣體**（noxious air）或**固定氣體**（fixed air）。盧瑟福清楚空氣中有一種成分不支持燃燒。當時，卡爾・威廉・舍勒，亨利・卡文迪什和約瑟夫・普利斯特里也都在研究氮氣。他們將它稱為**燃燒氣**（burnt air）或**燃素**。氮氣很不活躍，因此被拉瓦錫稱為**有毒氣體**（法語：_air méphitique_）或 _azote_。azote 源於希臘詞 ἄζωτος （_azotos_），意思是 "無生命的"。在氮氣裡，動物死亡，火焰熄滅。拉瓦錫所給的氮氣的名字被用於很多種語言（法語，義大利語，波蘭語，俄語，阿爾巴尼亞語，等等），並且還處在於英語的一些化合物的常用名字裡，比如肼和疊氮化合物。

英語單詞 _nitrogen_（1794）來自於法語單詞 _nitrogène_，是由法國化學家讓 - 安托萬・沙普塔將希臘語 νίτρον （_nitron_）（硝酸鈉）與法語 _gène_（生成）相結合後製造出來的新詞。氮氣常在硝酸氣體中被發現。沙普塔的意思是，氮氣是硝酸的一個組成部分，是由硝石（nitre）（硝酸鉀）產生的。

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 世紀 70 年代化學家徐壽將 ${\ce {H}}$ 、 ${\ce {O}}$ 、 ${\ce {N}}$ 、 ${\ce {F}}$ 、 ${\ce {Cl}}$ 譯為輕氣、養氣、淡氣、弗氣、綠氣，直至 1933 年，化學家鄭貞文在其主持編寫出版的《化學命名原則》一書中改成氫、氧、氮、氟、氯，一直沿用到現在。中文名稱「氮」有沖淡氣體的意思。

氮化合物早在中世紀就廣為人知了。鍊金師知道硝酸是 _aqua fortis_（強水）。硝酸和鹽酸的混合物被稱做 _aqua regia_（王水）, 因為它可以溶解黃金（金屬之**王**）。最早的在軍事，工業和農業上得氮化合物的應用是硝石（硝酸鈉或硝酸鉀）的使用，尤其是在火藥中和作為肥料。1910 年，瑞利男爵發現在氮氣中放電可以產生「活性氮」，一種氮的單原子同素異形體。由他的儀器中產生的「明黃色的旋轉的雲」與汞反應後生成爆炸性的氮化汞。

有相當長一段時間內，氮化合物的來源很有限。它們的自然來源要麼是生物學，要麼是大氣反應生成的硝酸鹽的沉積。對肥料的需求日益增長促進了氮化合物的工業化生產。工業化的固氮過程（如奧斯特瓦爾德法和氰氨法）消除了氮化合物的短缺。1910 年代哈柏法的發現和工業化應用徹底改變了氮化合物的供應，對食品生產產生了很大影響，使得養活全世界日益增長的人口成為可能。

## 屬性

氮是非金屬，其電負性為 3.04，與氯相當。氮原子的外層有 5 個電子，因此它在絕大多數化合物中都是三價的。分子氮（ ${\ce {N2}}$ ）的三鍵是最強的化學鍵之一，導致將 ${\ce {N2}}$ 轉化為其他氮化合物非常困難，而較容易將化合物形態的氮元素轉化為氮單質。後者的轉化通常伴有大量能量釋放，在自然和人類經濟活動中占有重要的地位。

在 1 個大氣壓下，分子氮在 77K（−195.79°C）時凝結（液化），在 63K（−210.01°C）時凝固成為 β 相的六方密積結構的晶體形態的同素異形體。在 35.4K（−237.6°C）以下，氮被認為是立方晶體形態的同素異形體（被稱為 α 相）。液氮是像水一樣的流體，但僅有水密度的 80.8% （液氮在其沸點時的密度是 0.808g/mL），是常用的製冷劑。

氮的不穩定的同素異形體包含有多於 2 個氮原子（比如 ${\ce {N3}}$ 和 N 
4），可以在實驗室中製得。在利用金剛石對頂砧得到的極端高壓（110 多萬 atm）和高溫（2000K）下，氮被聚合成單鍵的立方偏轉的晶體結構。這種結構於鑽石的結構類似，都具有很強的共價鍵。因此 ${\ce {N4}}$ 的別名為「氮鑽石」。

其他的被預測出得氮的同素異形體有六氮苯（ ${\ce {N6}}$ ，類似於苯）和八氮立方烷（ ${\ce {N8}}$ ，類似於立方烷）。前者被預言為高度不穩定，而後者被推測因為軌道對稱的原因會動力學穩定。 

### 同位素

已發現的氮的同位素共有十七種，包括 ${\ce {^10N}}$ 至 ${\ce {^25N}}$ ，其中只有 ${\ce {^14N}}$ 和 ${\ce {^15N}}$ 是最穩定的。最常見的是 ${\ce {^14N}}$ （99.634%），是在恆星的碳氮氧循環過程中產生的。在其他人工合成的同位素中， ${\ce {^13N}}$ 的半衰期是 10 分鐘，其他的同位素的半衰期都是以秒計或更短。

生物介導反應（例如同化，硝化反應和反硝化反應）牢牢地控制著土壤的氮動力學。這些反應一般會導致基質的 ${\ce {^15N}}$ 富集和產物的 ${\ce {^15N}}$ 消耗。

地球大氣中的氮氣的一小部分（0.73%）是同位素體 ${\ce {^14N}}$ ${\ce {^15N}}$ ，其餘的大部分是 ${\ce {^14N2}}$ 。

### 同素異形體

氮擁有多種同素異形體。最常見的莫過於氮氣（ $N_{2}$ ），此外還有疊氮自由基（ $N_{3}$ ）、氮 4（ $N_{4}$ ）、五氮陽離子（ ${\rm {\ N_{5}^{+}}}$ ）、六嗪（ $N_{6}$ ）、八氮立方烷（ $N_{8}$ ）等多種同素異形體。

### 電磁光譜

分子氮（ ${\ce {^14N2}}$ ）是對紅外的和可見光的輻射是十分透明的。因為它是同核分子，因此沒有偶極矩去在這些波長上來耦合電磁輻射。顯著地吸收發生在極端紫外的波長高於 100 奈米的波段。這一般伴隨著電子躍遷，發生在那些內部氮原子之間電荷分布不均的氮分子之間。氮的光吸收導致了在地球高層大氣中和其它行星大氣中的顯著地紫外輻射吸收。因為同樣地原因，純分子氮雷射器一般發出在紫外波段的光。

氮通過電子碰撞激發的電子流而對地球高層大氣里地可見的大氣光有所貢獻。這種可見的藍色大氣光（在極地的極光中以及返航的太空飛行器的返航光中可見）一般不是來自於分子氮，而是源於自由氮原子結合氧生成一氧化氮（ ${\ce {NO}}$ ）的過程。

氮氣也會展示出閃爍。

## 氮氧化物

氮可以形成多種不同的氮氧化物。在氧化物中，氮的氧化數可以從 + 1 到 + 5，甚至 + 6（三氧化氮）。其中以 NO 和 NO2 較為重要。

氮的氧化物的性質如下表：

## 參見

* 元素氮在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（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）
* 氮族元素

## 參考文獻

## 外部連結

* 元素氮在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） at _The Periodic Table of Videos_ (University of Nottingham)
* Etymology of Nitrogen （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Why high nitrogen density in explosives? （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* WebElements.com – Nitrogen （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* It's Elemental – Nitrogen （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry's Chemistry World: Nitrogen （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Schenectady County Community College – Nitrogen
* Nitrogen N2 Properties, Uses, Applications （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Handling procedures for liquid nitrogen
* Material Safety Data Sheet
* 氮元素的介紹影片 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）