氮 nitrogen

氮元素

化学元素，元素符号N，原子序数7，原子量14.0067，属于周期系V A族。

1772年D.卢瑟福首先发现氮气。同年C.W.舍勒第一个提出氮气为空气成分之一，并用硫磺和铁粉的混合物来吸收空气中的氧，得到了氮气。后来A.-L.拉瓦锡将氮认定为元素，命名为azote，意指它是一种不能支持生命的气体，氮的拉丁名nitrogenium来自英语的nitrogen，意指“硝之源”。

1.存在

氮在地壳中的含量为0.0046％（重量），自然界中绝大部分氮以单质分子的形式存在于大气中，约占空气体积的78.1％。氮是植物和动物有机生命的重要组成部分。按质量计，蛋白质中氮约占15％左右。氮最重要的矿物的硝酸盐，如智利硝石（硝酸钠）、印度钾硝石（硝酸钾）等。

硝石

2.同位素

氮有两种天然存在的稳定同位素和，它们的丰度比为273:1。其他物种同位素、、、和均为放射性同位素，寿命最长的的半衰期接近10秒。对于大多数化学实验，因氮的放射性同位素寿命太短，所以有关同位素效应及示踪的研究大都采用同位素。

氮原子

3.氮循环

氮参与自然界的物质循环。大气中的氮经由生物引起的一些复杂的转化反应，使氮能被动植物所利用，进而维持动植物的生命。

闪电可使氮和氧发生化学反应

氮循环可以分为下列各阶段：氮的固定是使氮转化为无机氮化物的过程，是由某些细菌和蓝绿藻完成的，少量氮是由闪电、紫外辐射以及哈伯-博施法合成氨工业固定的；氮固定生成的氨和硝酸盐被水藻和植物吸收、同化为特殊的组织化合物，随后被动物食用，转化成体内的物质；所有生物体及排泄物又被微生物分解为氨和硝酸盐，又再参与植物和动物体内的同化、吸收、氨化-硝化的循环过程。

人工固氮的重大成就：合成尿素

4.物理性质

在常温、常压下为无色、无臭、无味气体，熔点-210.00℃，沸点-195.79℃，密度1.145克/升；微溶于水，1毫升水能溶解0.023毫升氮气（0℃）。人吸入的氮气微溶于血液中，随压力增加，溶解量增大，当潜水员、潜箱工作人员回到地面，空气压力降低过快时，便有氮气泡从血流中逸出，会引起潜水病。

常用的冷源：液氮

5.化学性质

氮原子的电子组态为，由两个氮原子形成的单分子中，有一个σ键和两个π键，分子结构为。单分子的总键能为941.7千焦/摩，这正是单分子非常稳固的原因。

氮与其他元素化合时，可表现为-3、-2、-1、+1、+2、+3、+4和+5氧化态，其中常见的氧化态为-3、+3和+5。

氧化二氮

氮在常温、常压下，性质比较稳定；但在一定外界条件下，也能发生一些化学反应。氮能参与的化学反应主要有：

①氮与金属元素的反应。碱金属锂、碱土金属在高温下与氮化合生成氮化物，如

另外，铅、锗、过渡金属、钪、钇、镧系元素、钍、铀、钚等，在高温下也能和氮反应，生成金属氮化物。

②氮与非金属元素的反应。在高温、高压和有催化剂条件下，氮和氢反应生成氨；氮与氧在一定条件下生成一氧化氮、二氧化氮等氧化物；氮与炽热的碳反应生成，与碳、氢在1900K时缓慢反应生成氢氰酸；100℃、102.9千帕放电时，与硫生成一系列硫化物的混合物。

一氧化氮

③氮与化合物的反应。氮与碳化钙反应，生成氰氨化钙；氮与石墨和碳酸钠在900℃反应，生成氰化钠；在1500℃氮与乙炔反应，生成氰化氢。

6.化合物

6.1.氧化物

氮和氧可形成的氧化物有氧化二氮、氧化氮、、、、。

二氧化氮

①三氧化二氮。常温下为气体，冷却时转变为蓝色液体，低于-101.1℃时凝聚为淡蓝色晶体。常压下3℃开始分解，生成和，25℃已有90％分解。溶于水，生成亚硝酸；溶于碱，生成亚硝酸盐。用和气体混合，冷却至-21℃即凝聚为；在实验室可将硝酸逐滴加入到三氧化二砷中制备。

②二氧化氮和四氧化二氮。是红棕色、刺激性、会使人窒息的气体，在加压下于21.15℃转变为亮黄色液体，于-9.3℃这边为无色晶体。气态密度为1.880克/升，液态为1.49克/立方厘米（0℃），临界温度158℃，临界压力99大气压。气态时，一般情况下是以和的混合物形式存在，并存在下列平衡：

降低温度、增加压力，平衡向右移动。平衡体系在低于熔点时完全由无色的的分子组成，温度升高至沸点时，变为深红棕色液体，其中含0.1％，此时气相中占15.9％；100℃时在气相中的含量上升到90％（均为体积分数）；到150℃时全部分解为；温度高于150℃时，也开始分解；600℃时全部分解为和。和水反应，生成硝酸和一氧化氮；和碱反应，生成等摩尔的硝酸盐与亚硝酸盐。

四氧化二氮

和都是强氧化剂，和碳、硫、磷、有机物等反应时发生燃烧，与氨反应发生爆炸。工业上用空气氧化一氧化氮来制备二氧化氮，实验室则用硝酸盐热分解制备少量二氧化氮。将氨氧化法制得的硝酸加热，使析出，冷凝后得到94％～96％的液态，经精馏，纯度可达99.5％。广泛用作双组元推进剂中的氧化剂，用于运载火箭、导弹和航天飞机。

③五氧化二氮。唯一的固态氮氧化物，由直线形（硝酰）离子和平面三角形的粒子组成，白色，斜方晶系，密度2.0克/立方厘米，33℃升华。气态时不稳定，易挥发、易潮解，室温下缓慢分解为和。是硝酸的酸酐，溶于水生成硝酸。它具有强氧化性，能将氧化为；能与许多有机化合物发生剧烈反应。将硝酸脱水或用臭氧氧化均可制备。

五氧化二氮

所有氮的氧化物都具有生理活性，和的混合物是麻醉剂，浓度大时可使人窒息；作用于神经中枢，浓度大时可使氧合血红蛋白转变为变形血红蛋白；和具有刺激性，严重时可引起低血压等疾病。在含有氮氧化物的环境中长时间工作，会引起慢性中毒。

6.2.硫氰化物

又称硫氰酸盐，是一类含有硫氰根（）离子的化合物。易与金属离子形成配位化合物，如血红色的（配位数n可由1至6）、蓝色的（溶于丙酮或戊醇）等。因这些配合物多数都具有特征性的颜色，所以常用来鉴定金属离子。

硫氰酸铁为红色

①硫氰化铵。无色晶体，单斜晶系，片状或层柱状结晶，熔点149℃，密度1.3克/立方厘米。易溶于水，溶解度181克/100克水（25℃）；易溶于乙醇、液氨、丙酮等溶剂中。加热至140℃左右形成硫脲；170℃分解，生成氨、二硫化碳和硫化氢；易潮解，应密封储存。将二硫化碳和稍过量的液氨同水混合，在5880帕、100℃条件下反应，制备硫氰化铵。它是制备双氧水的辅助原料，在染料工业及有机合成中作催化剂，也是常用的分析试剂。

②硫氰化钠。无色晶体，斜方晶系，结晶状或粉末状；熔点287℃，密度1.5克/立方厘米。易溶于水，溶解度151克/100克水（25℃）；易溶于乙醇、丙酮等。与浓硫酸反应，生成黄色硫酸氢钠，与银盐或铜盐反应，生成白色硫氰酸银沉淀或黑色硫氰酸铜沉淀。在空气中易潮解。主要用作聚丙烯腈纤维抽丝剂，化学分析试剂、彩色电影胶片冲洗剂。

③硫氰化钾。无色晶体，单斜晶系，熔点173℃，密度1.88克/立方厘米。易溶于水，溶解度238克/100克水（25℃）；易溶于乙醇、丙酮；500℃开始分解。硫氰化铵和碳酸钾在105℃反应，可制备硫氰化钾。它主要用于电镀工业的退镀剂、工业用制冷剂、化学用分析试剂、彩色电影胶片冲洗剂等。

6.3.雷酸和雷酸盐

雷酸的化学式为，结构式为。它与氰酸和异氰酸为同分异构体，化学性质极不稳定。雷酸盐是雷酸与碱反应的产物，是含有根的化合物，其中以雷酸汞（雷汞）最为常见。

雷酸汞为深棕色晶体，溶于热水、乙醇和氨水；在干燥情况下，受轻微摩擦、撞击或加热即可爆炸，故必须在低温下储存。用浓硝酸、乙醇和汞反应可制得雷酸汞。在工业及军事上可作雷管药帽。

7.制法

工业上主要利用液态氮和液态氧的沸点不同，采用液态空气分步骤蒸馏法制取氮气。氮的沸点（-195.79℃）比氧（-182.95℃）低，首先蒸发出来。将其在15～20兆帕压力下装入钢瓶中储存。

利用具有选择性吸附氧能力的分子筛吸附剂，在变压吸附和脱吸附的装置中，可以进行空气分离，分别制取纯氧和纯氮。制备少量纯氮是以含氮化合物为原料，利用加热分解或化学反应方法，如加热亚硝酸铵水溶液、加热重铬酸铵晶体或叠氮化钡等；氨和溴水反应，氨和氧化铜反应都能制备纯净氮气。

8.应用

氮是植物生长所必需的营养元素之一，是氮肥和各种复合肥料的主要组分，是动植物体内蛋白质的重要成分，故称之为生命元素。氮在化学工业、石油工业、电子工业、食品工业、金属冶炼及加工等工业用途十分光广泛。

①作为化工原料。氮是生产合成氨、氰氨化钙、氰化物、氮化物、肼、硝酸等化工产品的主要原料。

②作为惰性介质。氮的化学性质稳定，价格便宜，广泛用作惰性介质，如无氧操作中的保护气体，使化学性质活泼的物质不被氧化和减少设备腐蚀；在聚合反应中充入氮气能保护催化剂的活性；在钢材轧制和金属热处理时充入氮气，可减少金属在高温下的氧化；在玻璃生产过程中充入氮气，可减少水汽污染，使玻璃表面光亮；在水果蔬菜仓库内充入氮气，能延长保存期；用氮和氩和混合气充填灯泡，可延长灯泡的使用寿命等。

③作为冷源。液氮气化温度低、无毒且不燃烧、用后无残留，广泛用于各行业的冷源，如冷冻食品；冷冻保存动物精液、人体组织、皮肤；用液氮灼烧法除去皮肤异物的外科手术有出血少、不痛苦、不易感染等优点；用作各种冷阱、冷泵及低温超导的冷源等。

④主要用作示踪原子，用于化学、生物学及固氮机理的研究中；具有比一般氮低的中子吸收截面，已应用于核反应堆中。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第4册，中国大百科全书出版社，2009年