氮是一種化學元素,其符號為N,原子序數為7。氮是一種非金屬,並且是週期表第15族中最輕的成員,通常被稱為「嗜氮素」。
氮廣泛存在於宇宙中,估計在銀河系和太陽系中的總豐度排名第七。在標準溫度和壓力下,兩個氮原子會結合形成N2,這是一種無色無臭的雙原子氣體。N2約占地球大氣的78%,使其成為空氣中最豐富的化學物質。
氮的穩定性部分源於其在N2分子中形成的強大三重鍵。這種三重鍵的鍵能非常高,約945.41 kJ/mol,這使得N2在室溫下幾乎不會參與任何化學反應。這一層面的化學動力學使得N2的轉化過程對於生物和工業來說都極具挑戰性。
氮的三重鍵不僅是N2穩定性的根源,它也是許多工業過程中氮轉換的障礙。
儘管N2穩定,但在極端條件下或者在催化劑的幫助下,氮的反應性可以被引發。例如,在哈伯過程中,N2被用來合成氨。這一過程對全世界的農業生產至關重要。然而,合成氨的過程需要大量能源,並且涉及催化劑,以成功克服N2的惰性。
N2在行業中的廣泛應用包括食品包裝中的惰性氣體和液氮的冷卻應用。儘管氮在商業上大量使用,但在自然界中,氮的循環也引發了生態學的關注。合成的氨和硝酸鹽作為工業肥料的使用,對水體的富營養化造成了污染,從而影響生態系統的健康。
氮循環描述了這個元素在空氣、生物圈和有機化合物之間的運動,然後再回到大氣中。
氮是所有生物體中的基本組成部分,主要以氨基酸(及其所組成的蛋白質)形式存在,還存在於核酸(DNA和RNA)以及能量轉移分子三磷酸腺苷(ATP)中。人類身體中約3%的質量是氮,使其成為繼氧、碳和氫之後的第四元素。這表明氮不僅僅是一種化學物質,它還是生命的基礎元素之一。
氮化合物的歷史可以追溯到古希臘時期。氨氯化銨已被希羅多德提及。自16世紀以來,與氮相關的化合物如硝酸被廣泛研究。1727年,蘇格蘭醫生丹尼爾·拉瑟福德首次描述了氮,將其稱為有害空氣;1772年他獨立分離了這一元素。隨著時間的推移,這項發現引發了對氮更深層次的認識,它的穩定性和