氮（Nitrogen），一種非金屬元素，原子符號為N，原子序數為7。在自然界中，氮主要以單質形態存在，即氮氣（N?）。氮氣是一種無色無味且化學性質相對惰性的氣體，占據了地球大氣總體積的約78%，是大氣中含量最多的成分。也是一種廣泛存在的元素，可以與多種元素進行化合，形成多種產物，如：一氧化氮、氨氣等，氮也是一種構成生命體的基本元素，是氨基酸的基本構成元素。氮可以用于農業、工業、軍事等方面，其化合物種類繁多，不僅對人類生活有著深遠影響，也在科學研究中占據重要地位。
發現歷史
1674年，英國醫生約翰·馬約（John Mayow）證明了空氣不是由單一的元素而是由不同的物質組成的。他通過展示只有一部分空氣可燃而大部分不可燃來證明上述說法。大約一個世紀后，蘇格蘭化學家約瑟夫·布萊克（Joseph Black）和丹尼爾·盧瑟福（Daniel Rutherford）對空氣進行了更詳細的研究。1772 年，蘇格蘭醫生丹尼爾·盧瑟福 (Daniel Rutherford) 發現了氮。氮這個詞，源自拉丁語nitrum，希臘語Nitro，最終由國科學家安托萬-洛朗·德·拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）確定了這種元素。他通過一系列步驟徹底去除了空氣中的氧氣和二氧化碳，并發現殘余氣體與二氧化碳類似，不可燃，也不能讓生命體存活，但與二氧化碳不同的是，這種氣體不溶于水和堿溶液。同時，還有其他一些著名的科學家在研究氮的問題，他們稱之為“燃燒的”或“非燃素空氣”，意思是沒有氧氣的空氣。
1919年，歐內斯特·盧瑟福通過α粒子轟擊氮氣，首次實現人工核嬗變——氮-14原子核被轉化為氧-17并釋放氫核（質子），揭示了原子核的可變性。帕特里克·布萊克特進一步驗證這一反應機制，奠定核物理學基礎。與此同時，宇宙學視角下，大質量恒星通過碳氮氧循環（CNO循環）將氫聚變為氦，碳作為催化劑參與反應，過程中生成氮并最終隨超新星爆發擴散至星際空間。
氮元素來源與分布
氮元素是地球上最豐富的元素之一，它廣泛存在于大氣、地殼、水體和生物體中。大氣中的氮主要以氮氣（N2）的形式存在，占據了大氣的約78%。氮氣在大氣中是高度穩定的，但它可以通過閃電活動、生物固氮（如豆科）和人類活動（如工業和農業過程）的干擾而轉化為其他形式的氮化物，氮在地殼中的重量百分比含量是0.0046%，總量約達到4×1012噸。氮主要以氮化物（如氨、硝酸鹽和亞硝酸鹽）的形式存在于巖石、土壤和礦物中。這些氮化物可以通過地質作用和生物活動釋放到水體中。
原子模型
依據對稱模型，N的核外電子排布式為:1s22s22p3，五個核外電子在最外層正四面體對稱駐波軌道上分布如圖，其中有一個軌道上分布著電子對，而在另外三個軌道上分布著單電子。氮的這種結構特征決定了它的成鍵方式， 要想達到正四面體全滿對稱的平衡穩定結構它的三個單電子軌道需要與其他原子形成三個共價鍵，而形成三個共價鍵成鍵方式的不同決定了它所形成的化合物的空間幾何結構，所以由兩個氮原子組成的氮氣分子十分穩定。
理化性質
物理性質
氮，一種非金屬元素，常溫下以氣體形態存在，分子式為N2，密度0.0012506 g cm-3，熔點63.15 K，沸點77.36 K， 微溶于水，原子半徑155 pm，核外電子分布1s22s22p3。
化學性質
在元素周期表中，氮屬于非金屬元素，位置在第二周期第VA族，是第七號元素，在化合物中，可以以+5價，+4價，+3價，+2價，+1價，-1價，-2價，-3價存在。15N為氮的同位素，主要應用于同位素示蹤探究氮元素流動以及計算文物年代等方面。
與單質反應
與氧氣反應，在高溫下與氧氣可以反應，1200℃可以開始反應，得到一氧化氮，生成的一氧化氮會迅速被氧化，生成二氧化氮。
與臭氧反應，生成三氧化氮
在鐵作為催化劑，高溫高壓的情況下，與氫氣進行反應，生成氨氣。
在放電情況下可與進行反應，生成三氟化氮
與其他單質在高溫下反應，生成氮化物
與無機化合物反應
在高溫與碳在的條件下，氮氣可與氮化物進行反應
與有機化合物進行反應
氮在高頻放電的情況下可以與乙烷、乙炔進行反應，生成氫酸。
氮氣制備
氮氣的制備方法主要為分離空氣法，由于氮氣的物理性質，提取氮氣最常見的方法是利用分離空氣中的氮氣和氧氣的物理性質差異。首先，使用空氣壓縮機將空氣壓縮到高壓狀態。將高壓空氣通過冷卻器或冷凝器，使其冷卻并逐漸液化。在這個過程中，由于氮氣和氧氣的沸點不同，液化過程中富集了液態氮氣。將液態空氣通過分離器，根據氮氣和氧氣的沸點差異進行分離。氮氣會集中在頂部，而氧氣則收集在底部。最后，從頂部收集到的純凈氮氣可以被儲存和使用。
氮的檢測方法
土壤中氮含量的檢測
土壤可以提供給植物生長所必需的元素，土壤中的氮可以為植物提供合成蛋白質的原料，是植物生長發育的主要元素，在現代農業中，測量土壤中的氮含量是指導科學施肥、實現作物高產的重要指標，是實現科技化現代農業的基礎。
傳統檢測方法
凱氏定氮法是傳統的氮檢測方法之一，主要的操作方法是使用硫酸將土壤樣本進行消煮，在催化劑的作用下，使土壤中的有機態氮轉換為無機化合物銨鹽，之后，在堿性條件下將鹽轉化為氨，通過加熱蒸餾的方法將氨蒸餾出來，并使用硼酸進行吸收，最后，通過標準酸進行底定的方法進行標定土壤中的含氮量。這種方法更方便于測定土壤中的總氮，但是，對于土壤中的硝態氮的分析并沒有十分便利，因此，需要使用其他的化學方法檢測硝態氮。
靛酚藍比色法是測定土壤中含有的銨態氮的傳統方法，其原理是使用提取劑將土壤中的銨進行提取，在強堿性介質中與次氯酸鹽和苯酚作用，生成水溶性的酚藍，通過比色的方法進行檢測。
光譜法測量氮含量
光譜學方法是一種快速、無損的土壤檢測技術，其原理是利用不同形態的氮元素在紅外光的照射下擁有不同的指紋圖譜特征，因此可以利用吸收、散射等光譜學的方法來快速測量土壤中的含氮量。
熱裂解法檢測氮含量
利用熱裂解技術可以實現對土壤樣本快速裂解，將裂解出來的含氮氣體使用氮傳感器進行檢測，并且構建模型，對土壤中的含氮量進行計算，可以快速準確地標定土壤中的氮含量。
土壤氮含量檢測試劑盒
靛酚藍比色法已廣泛應用于土壤氨氮的測定，但該方法試劑配制復雜、毒性大、比色時間長。使用試劑盒的方法可以快速建表的檢測氮含量，選擇合適的萃取劑，采用不同濃度的氯化鉀和NaCl溶液對土壤進行萃取，不同類型土壤中氨氮含量的測定采用快速檢測試劑盒和微板閱讀器。
食品中氮的檢測方法
食品中含量的檢測方法
在食品中，氮元素通常以氨基酸和蛋白質的形式被固定，檢測食品中的氮含量，是對于食品營養參數檢測的一個重要指標。氨基酸，影響食物的口味和氣味，不同種類的氨基酸對食物的影響是不同的，根據不同種類氨基酸的紅外光吸收的強度和指紋吸收峰的不同可以使用近紅外光譜法對食品中的氨基酸種類和含量進行分析，包括肉類、谷物、等食品。其他的檢測方法如高效液相色譜法等方法也有被應用。蛋白質的檢測方法與氨基酸相似，也是使用近紅外光光譜法進行檢測，區分在使用漫反射光譜和透射光譜法進行檢測不同食物樣本。
發酵食物中的氮檢測
氮在食物中通常以氨基酸和蛋白質的形式存在，生命體的營養物質，但是，為了獲得不同的合口味，會將食品進行發酵處理，傳統發酵食品主要包括發酵的乳制品、肉類、水產品、豆制品，以及釀造酒、蔬菜等，如酸奶、臘腸等、魚露、醬油、黃米酒和醬菜等，是人們根據傳統經驗，利用自然界中存在的微生物作為發酵菌種生產的食品。由于傳統發酵食品多采用開放式發酵，其中含有復雜的微生物，包括產生生物胺（BAs）的微生物，傳統發酵食品中經常檢測到BAs含量超標，導致偶有報道食品安全事件。因此，對傳統發酵食品中BAs的研究是食品安全領域的熱點之一。BAs是一類具有生理活性的含氮化合物，由氨基酸脫羧酶脫羧生成，高濃度BAs的飲食或攝入，在一些嚴重的情況下最終導致急性過敏反應甚至死亡?？梢允褂酶咝б合嗌V、比色法、薄層色譜法、電泳法、傳感器檢測法等方法進行食物中BAs的檢測，從而分析食品中有害含氮有機化合物的含量。
植物中的氮含量檢測
氮作為植物生長發育最重要的營養元素， 是影響植物長勢和產量的首要因素。氮肥的適量施用對植物的長勢具有促進作用， 過量的氮肥反而具有抑制的作用。實時、準確地獲取葉片氮素營養水平狀況， 有利于掌握作物動態長勢， 及時合理地進行氮素診斷和施肥調控。使用凱氏定氮法可以測定葉片中的含氮總量，對待檢測的田地的植物葉片進行抽樣，將清洗干凈的葉片經殺青、烘干、粉碎、消煮、定容后， 應用流動分析儀測定樣本氮含量。使用太赫茲波法也可以對植物葉片中的含氮量進行檢測，太赫茲波是指頻率在0.1至10太赫茲之間，介于微波和紅外輻射之間的電磁波。在太赫茲輻射下，各種營養物質分子的化學鍵在皮秒內斷裂和形成，導致對太赫茲波的強烈吸收。因此，太赫茲光譜可用于檢測農作物的氮含量。
其他的含氮量檢測
水體中的含氮量的檢測
水體中含有的亞硝酸鹽是危害身體健康的重要因素，是水體中的主要污染物之一，檢測水體中亞硝酸鹽的氮總量是分析水體是否適合引用的重要標準之一。中國現行國家標準GB7493-87中，對水體中的亞硝酸鹽含氮總量的檢測使用分光光度法進行標定。
氮肥中的含氮量檢測
氮肥是農業中常用的肥料，可以為植物提供氮元素，肥料中的氮含量的檢測使用蒸餾后滴定法進行檢測，其原理為在堿性介質中用定氮合金將硝酸態氮還原，直接蒸餾出氨或在酸性介質中還原硝酸鹽成鹽，在混合催化劑存在下，用濃硫酸消化,將有機態氮或酷胺態氮和氰氨態氮轉化為鐵鹽，從堿性溶液中蒸餾氨將氨吸收在過量硫酸溶液中，在甲基紅亞甲基藍混合指示劑存在下，用氫氧化鈉標準滴定溶液返滴定。
碳納米管用于氮含量的檢測
碳納米管(CNTs)因其高比表面積和優異的電學和力學性能被認為是檢測有毒氣體的有前途的候選材料。但是碳納米管基探測器的檢測性能需要提高，因為共價鍵的作用碳納米管通常具有化學惰性。采用氣相氮化法，在NH3中進行熱退火，制備氮摻雜單壁碳納米管薄膜。摻雜氮含量在2.9 ~ 9.9 %范圍內變化。氮摻雜薄膜直接用于構建柔性透明氣體傳感器，可在0.01 V的低電壓下工作。結果表明，其NO2檢測性能與其含氮量密切相關。該柔性傳感器的最佳氮含量為9.8%，在室溫下檢測限為500 ppb，具有良好的循環能力和彎曲穩定性。
氮的應用
農業應用
光合作用是作物生物量和產量形成的基礎，增施氮肥能夠提高作物光合作用從而提高作物生物量和產量，過量的氮肥施用不僅會造成低的氮肥利用效率，還會導致一系列環境問題的發生，以小麥作為研究對象發現，無論是高氮還是低氮處理，不同品種小麥的凈光合速率、氣孔導度和葉肉導度都隨著比葉面積的增加而增加，但只有高氮處理下的小麥光合氮素利用效率隨著比葉面積的增加而增加，這表明在氮肥充足供應的情況下，提高比葉面積可以協同提高小麥凈光合速率和光合氮素利用效率。此外，氮素還能顯著影響植株性狀之間的相互關系。在低氮條件下，小麥比葉面積和比根長越小,根直徑越大，其地上部生物量越高，對低氮脅迫的耐受能力也越強，探究了氮肥施加量對小麥的影響。
工業應用
合成氨
氨是最重要的化工產品之一，可以應用在制藥、航天等多個領域。氨的主要工業合成方法是通過哈伯-博施法制備，該過程需要在高溫高壓條件下進行，不僅消耗巨大能量而且會排放大量二氧化碳。催化合成氨研究主要集中在氮氣的電催化還原。但是氮氣中氮氮三鍵難以打破，使能量轉化效率很低。使用硝酸根作為氮源，進行電催化合成氨是可以被發展的。硝酸根的鍵能更低(204kJ mol-1)，更易于被還原，使其成為了更理想的合成氨原料。
儲能方面的應用
在清潔能源中，能量最高的是太陽能，但是太陽能存在熱流密度的間歇性和不穩定性等問題，管理和使用太陽能是一項新的技術，需將太陽能與儲能系統結合起來，從而實現持續且穩定的能源供應。硝酸熔鹽是一種可以通過固態相變控制熱量釋放與吸收的一種材料，可以管理熱能的吸收與釋放，達到對太陽能高效利用的目的。
催化方面的應用
氮元素的原子尺寸類似于相鄰元素碳，但是氮元素與碳原子的電子結構不相同，相對于碳原子，氮原子多一個電子，因此，使用氮原子摻雜進入碳材料或其他材料中，可以改變材料的電子結構，增加電子活性，并且可以使材料的晶格發生變化，使晶格的不匹配度增加，因此氮作為一種摻雜材料進入材料的內部和以增加材料的缺陷，使材料具有高活性、導電性等性能，被廣泛應用于催化材料的性能提升方面，例如氮摻雜碳材料用于有機催化、氮摻雜碳納米管限域基催化劑用于析氫等方面。
醫療應用
骨質疏松癥是一種常見的常見的影響骨組織代謝功能的疾病之一，患病后，會導致骨質流失和骨力學強度的降低，進而增加了骨折的風險，嚴重影響患者生活質量以及患者家屬的經濟負擔，不利于社會發展，一氧化氮是一種參與包括骨重塑在內的多種生物過程的內源性自由基，可在一定程度上治療骨質疏松癥。但是，一氧化氮既容易與氧氣發生反應，其半衰期短暫導致其擴散半徑小，不易發揮作用?？梢酝ㄟ^靶向給藥以及定點釋放的技術手段使一氧化氮釋放在病灶處，達到準確、高效地治療骨質疏松癥。一氧化氮可以被應用于多種疾病的治理與預防，包括心肌肥大等方面。液氮由于其極低的溫度，被廣泛應用于冷凍、醫療等領域，如低溫保存生物組織樣本、低溫治療等，有利于醫療方面的學術研究。
軍事應用
國防實力是一個國家綜合國力最重要的組成部分之一，是國民經濟及社會發展的堅強后盾。建設強大的國防有賴于大力發展低感度、高能量密度以及高可靠性的含能材料。在含氮類的物質中，硝酸鹽以及硝基化合物是一類不穩定的物質，容易引發爆炸，但是這種性質可以被應用于炸藥和推進材料的制備方面，因此硝酸鹽及硝基化合物被廣泛應用于軍工領域。但是，由于這類物質的性質極不穩定，難以運輸，因此通常需要通過增加其他物料的手段來進行穩定。
保護氣體應用
氮氣是一種惰性氣體，不易發生化學反應，因此可以作為多種反應過程的保護氣，例如：化學合成、熱解過程、相變過程以及焊接過程等
安全事宜
氮氣，不可燃氣體，在長時間暴露于火或熱的情況下，容器可能會劇烈破裂并爆炸。氮氣不支持呼吸，在高濃度環境中會使氧氣含量降低，可能會在沒有警告的情況下引起頭暈或窒息；在封閉空間中，還需確保良好的通風，以防止氮氣積聚。液化氮氣的最初比空氣重，并沿地面擴散。接觸氮氣氣體或液體可能導致灼傷、重傷和/或凍傷。這些物質在任何已知情況下都不會發生化學反應，除了在特定條件下（氮氣與某些金屬（如鎂）會發生劇烈反應，形成氮化鎂，同時存在火災風險）。否則，它們不可燃、不可燃且無毒。但是他們會導致窒息。如果氮氣泄露，迅速將受害者轉移到新鮮空氣處。如果受害者沒有呼吸，請進行人工呼吸。如果呼吸困難，請及時給氧氣。凍在皮膚上的衣服在脫掉之前應該先解凍。如果接觸液化氣體，請用溫水解凍結霜的部分。
環境風險：氮氣泄漏到環境中可能會對生態系統產生影響，例如，過量的氮可能導致水體富營養化。
培訓和意識：任何處理氮氣或液氮的人員都應該接受適當的培訓，了解潛在的風險和正確的安全措施。
參考資料 >
Nitrogen | N (Element) - .PubChem.2023-02-19
MyChemicals.cameochemicals.2023-02-19
Periodic Table of Elements: LANL.LANL.2023-02-19