氮

氮（Nitrogen），一种非金属元素，原子符号为N，原子序数为7，通常状态下，氮元素会以气态稳定存在，即氮气，是一种无色无味的气体，不燃且无毒，是构成大气层的主要部分，但是不是一种可以独立支撑生命体正常生命的气体。氮也是一种广泛存在的元素，可以与多种元素进行化合，形成多种产物，如：氧化氮、氨气等，氮也是一种构成生命体的基本元素，是氨基酸的基本构成元素。氮可以用于农业、工业、军事等方面。

1772 年，苏格兰医生丹尼尔·卢瑟福 (Daniel Rutherford) 发现了氮。氮这个词，源自拉丁语nitrum，希腊语Nitro，最终由国科学家拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）确定了这种元素。他从空气中去除氧气和二氧化碳，并证明残留的气体不会支持燃烧或生物。同时，还有其他一些著名的科学家在研究氮的问题，他们称之为“燃烧的”或“非燃素空气”，意思是没有氧气的空气。

氮元素是地球上最丰富的元素之一，它广泛存在于大气、地壳、水体和生物体中。大气中的氮主要以氮气（N₂）的形式存在，占据了大气的约78%。氮气在大气中是高度稳定的，但它可以通过闪电活动、生物固氮（如豆科植物）和人类活动（如工业和农业过程）的干扰而转化为其他形式的氮化物，氮在地壳中的含量相对较低，大约占地壳总质量的0.025%。氮主要以氮化物（如氨、硝酸盐和亚硝酸盐）的形式存在于岩石、土壤和矿物中。这些氮化物可以通过地质作用和生物活动释放到水体中。

依据对称模型，N的核外电子排布式为:1s2s2p，五个核外电子在最外层正四面体对称驻波轨道上分布如图，其中有一个轨道上分布着电子对，而在另外三个轨道上分布着单电子。氮的这种结构特征决定了它的成键方式， 要想达到正四面体全满对称的平衡稳定结构它的三个单电子轨道需要与其他原子形成三个共价键，而形成三个共价键成键方式的不同决定了它所形成的化合物的空间几何结构，所以由两个氮原子组成的氮气分子十分稳定。

氮气结构

氮原子的核外电子分布

氮，一种非金属元素，常温下以气体形态存在，分子式为N₂，密度0.0012506 g cm，熔点63.15 K，沸点77.36 K， 微溶于水，原子半径155 pm，核外电子分布1s2s2p。

在元素周期表中，氮属于非金属元素，位置在第二周期第VA族，是第七号元素，在化合物中，可以以+5价，+4价，+3价，+2价，+1价，-1价，-2价，-3价存在。N为氮的同位素，主要应用于同位素示踪探究氮元素流动以及计算文物年代等方面。

与氧气反应，在高温下与氧气可以反应，1200℃可以开始反应，得到一氧化氮，生成的一氧化氮会迅速被氧化，生成二氧化氮。

与臭氧反应，生成三氧化氮

在铁作为催化剂，高温高压的情况下，与氢气进行反应，生成氨气。

在放电情况下可与氟[fú]进行反应，生成三氟化氮

与其他单质在高温下反应，生成氮化物

在高温与碳在的条件下，氮气可与氮化物进行反应

在高温下与甲烷进行反应，生成氢氰酸

氮在高频放电的情况下可以与乙烷、乙炔进行反应，生成氢氰[qíng]酸。

氮气的制备方法主要为分离空气法，由于氮气的物理性质，提取氮气最常见的方法是利用分离空气中的氮气和氧气的物理性质差异。首先，使用空气压缩机将空气压缩到高压状态。将高压空气通过冷却器或冷凝器，使其冷却并逐渐液化。在这个过程中，由于氮气和氧气的沸点不同，液化过程中富集了液态氮气。将液态空气通过分离器，根据氮气和氧气的沸点差异进行分离。氮气会集中在顶部，而氧气则收集在底部。最后，从顶部收集到的纯净氮气可以被储存和使用。

土壤可以提供给植物生长所必需的元素，土壤中的氮可以为植物提供合成蛋白质的原料，是植物生长发育的主要元素，在现代农业中，测量土壤中的氮含量是指导科学施肥、实现作物高产的重要指标，是实现科技化现代农业的基础。

凯氏定氮法是传统的氮检测方法之一，主要的操作方法是使用浓硫酸将土壤样本进行消煮，在催化剂的作用下，使土壤中的有机态氮转换为无机铵盐，之后，在碱性条件下将铵[ǎn]盐转化为氨，通过加热蒸馏的方法将氨蒸馏出来，并使用硼酸进行吸收，最后，通过标准酸进行底定的方法进行标定土壤中的含氮量。这种方法更方便于测定土壤中的总氮，但是，对于土壤中的硝态氮的分析并没有十分便利，因此，需要使用其他的化学方法检测硝态氮。靛酚蓝比色法是测定土壤中含有的铵态氮的传统方法，其原理是使用提取剂将土壤中的铵进行提取，在强碱性介质中与次氯酸盐和苯酚作用，生成水溶性的靛[diàn]酚蓝，通过比色的方法进行检测。

光谱学方法是一种快速、无损的土壤检测技术，其原理是利用不同形态的氮元素在红外光的照射下拥有不同的指纹图谱特征，因此可以利用吸收、散射等光谱学的方法来快速测量土壤中的含氮量。

利用热裂解技术可以实现对土壤样本快速裂解，将裂解出来的含氮气体使用氮传感器进行检测，并且构建模型，对土壤中的含氮量进行计算，可以快速准确地标定土壤中的氮含量。

靛酚蓝比色法已广泛应用于土壤氨氮的测定，但该方法试剂配制复杂、毒性大、比色时间长。使用试剂盒的方法可以快速建表的检测氮含量，选择合适的萃取剂，采用不同浓度的KCl和NaCl溶液对土壤进行萃取，不同类型土壤中氨氮含量的测定采用快速检测试剂盒和微板阅读器。

在食品中，氮元素通常以氨基酸和蛋白质的形式被固定，检测食品中的氮含量，是对于食品营养参数检测的一个重要指标。氨基酸，影响食物的口味和气味，不同种类的氨基酸对食物的影响是不同的，根据不同种类氨基酸的红外光吸收的强度和指纹吸收峰的不同可以使用近红外光谱法对食品中的氨基酸种类和含量进行分析，包括肉类、谷物、等食品。其他的检测方法如高效液相色谱法等方法也有被应用。蛋白质的检测方法与氨基酸相似，也是使用近红外光光谱法进行检测，区分在使用漫反射光谱和透射光谱法进行检测不同食物样本。

氮在食物中通常以氨基酸和蛋白质的形式存在，生命体的营养物质，但是，为了获得不同的合口味，会将食品进行发酵处理，传统发酵食品主要包括发酵的乳制品、肉类、水产品、豆制品，以及发酵酒、蔬菜等，如酸奶、香肠等、鱼露、酱油、黄酒和酱菜等，是人们根据传统经验，利用自然界中存在的微生物作为发酵菌种生产的食品。由于传统发酵食品多采用开放式发酵，其中含有复杂的微生物，包括产生生物胺（BAs）的微生物，传统发酵食品中经常检测到BAs含量超标，导致偶有报道食品安全事件。因此，对传统发酵食品中BAs的研究是食品安全领域的热点之一。BAs是一类具有生理活性的含氮化合物，由氨基酸脱羧酶脱羧生成，高浓度BAs的饮食或摄入，在一些严重的情况下最终导致急性过敏反应甚至死亡。可以使用高效液相色谱、比色法、薄层色谱法、电泳法、传感器检测法等方法进行食物中BAs的检测，从而分析食品中有害含氮有机物的含量。

氮作为植物生长发育最重要的营养元素， 是影响植物长势和产量的首要因素。氮肥的适量施用对植物的长势具有促进作用， 过量的氮肥反而具有抑制的作用。实时、准确地获取叶片氮素营养水平状况， 有利于掌握作物动态长势， 及时合理地进行氮素诊断和施肥调控。使用凯氏定氮法可以测定叶片中的含氮总量，对待检测的田地的植物叶片进行取样，将清洗干净的叶片经杀青、烘干、粉碎、消煮、定容后， 应用流动分析仪测定样本氮含量。使用太赫兹波法也可以对植物叶片中的含氮量进行检测，太赫兹波是指频率在0.1至10太赫兹之间，介于微波和红外辐射之间的电磁波。在太赫兹辐射下，各种营养物质分子的化学键在皮秒内断裂和形成，导致对太赫兹波的强烈吸收。因此，太赫兹光谱可用于检测农作物的氮含量。

水体中含有的亚硝酸盐是危害身体健康的重要因素，是水体中的主要污染物之一，检测水体中亚硝酸盐的氮总量是分析水体是否适合引用的重要标准之一。中国现行国家标准GB7493-87中，对水体中的亚硝酸盐含氮总量的检测使用分光光度法进行标定。

氮肥是农业中常用的肥料，可以为植物提供氮元素，肥料中的氮含量的检测使用蒸馏后滴定法进行检测，其原理为在碱性介质中用定氮合金将硝酸态氮还原，直接蒸馏出氨或在酸性介质中还原硝酸盐成盐，在混合催化剂存在下，用浓硫酸消化,将有机态氮或酷胺态氮和氰氨态氮转化为铁盐，从碱性溶液中蒸馏氨将氨吸收在过量硫酸溶液中，在甲基红-亚甲基蓝混合指示剂存在下，用氢氧化钠标准滴定溶液返滴定。

碳纳米管(CNTs)因其高比表面积和优异的电学和力学性能被认为是检测有毒气体的有前途的候选材料。但是碳纳米管基探测器的检测性能需要提高，因为共价键的作用碳纳米管通常具有化学惰性。采用气相氮化法，在NH₃中进行热退火，制备氮掺杂单壁碳纳米管薄膜。掺杂氮含量在2.9 ~ 9.9 %范围内变化。氮掺杂薄膜直接用于构建柔性透明气体传感器，可在0.01 V的低电压下工作。结果表明，其NO₂检测性能与其含氮量密切相关。该柔性传感器的最佳氮含量为9.8%，在室温下检测限为500 ppb，具有良好的循环能力和弯曲稳定性。

光合作用是作物生物量和产量形成的基础，增施氮肥能够提高作物光合作用从而提高作物生物量和产量，过量的氮肥施用不仅会造成低的氮肥利用效率，还会导致一系列环境问题的发生，以小麦作为研究对象发现，无论是高氮还是低氮处理，不同品种小麦的净光合速率、气孔导度和叶肉导度都随着比叶面积的增加而增加，但只有高氮处理下的小麦光合氮素利用效率随着比叶面积的增加而增加，这表明在氮肥充足供应的情况下，提高比叶面积可以协同提高小麦净光合速率和光合氮素利用效率。此外，氮素还能显著影响植株性状之间的相互关系。在低氮条件下，小麦比叶面积和比根长越小,根直径越大，其地上部生物量越高，对低氮胁迫的耐受能力也越强，探究了氮肥施加量对小麦的影响。

氨是最重要的化工产品之一，可以应用在制药、航天等多个领域。氨的主要工业合成方法是通过哈伯-博施法制备，该过程需要在高温高压条件下进行，不仅消耗巨大能量而且会排放大量二氧化碳。催化合成氨研究主要集中在氮气的电催化还原。但是氮气中氮氮三键难以打破，使能量转化效率很低。使用硝酸根作为氮源，进行电催化合成氨是可以被发展的。硝酸根的键能更低(204kJ mol)，更易于被还原，使其成为了更理想的合成氨原料。

在清洁能源中，能量最高的是太阳能，但是太阳能存在热流密度的间歇性和不稳定性等问题，管理和使用太阳能是一项新的技术，需将太阳能与储能系统结合起来，从而实现持续且稳定的能源供应。硝酸熔盐是一种可以通过固态相变控制热量释放与吸收的一种材料，可以管理热能的吸收与释放，达到对太阳能高效利用的目的。

氮元素的原子尺寸类似于相邻元素碳，但是氮元素与碳原子的电子结构不相同，相对于碳原子，氮原子多一个电子，因此，使用氮原子掺杂进入碳材料或其他材料中，可以改变材料的电子结构，增加电子活性，并且可以使材料的晶格发生变化，使晶格的不匹配度增加，因此氮作为一种掺杂材料进入材料的内部和以增加材料的缺陷，使材料具有高活性、导电性等性能，被广泛应用于催化材料的性能提升方面，例如氮掺杂碳材料用于有机催化、氮掺杂碳纳米管限域镍[niè]基催化剂用于析氢等方面。

骨质疏松症是一种常见的常见的影响骨组织代谢功能的疾病之一，患病后，会导致骨质流失和骨力学强度的降低，进而增加了骨折的风险，严重影响患者生活质量以及患者家属的经济负担，不利于社会发展，一氧化氮是一种参与包括骨重塑在内的多种生物过程的内源性自由基，可在一定程度上治疗骨质疏松症。但是，一氧化氮既容易与氧气发生反应，其半衰期短暂导致其扩散半径小，不易发挥作用。可以通过靶向给药以及定点释放的技术手段使一氧化氮释放在病灶处，达到准确、高效地治疗骨质疏松症。一氧化氮可以被应用于多种疾病的治理与预防，包括心肌肥大等方面。液氮通常被用作低温保存生物组织样本，有利于医疗方面的学术研究。

国防实力是一个国家综合国力最重要的组成部分之一，是国民经济及社会发展的坚强后盾。建设强大的国防有赖于大力发展低感度、高能量密度以及高可靠性的含能材料。在含氮类的物质中，硝酸盐以及硝基化合物是一类不稳定的物质，容易引发爆炸，但是这种性质可以被应用于炸药和推进材料的制备方面，因此硝酸盐及硝基化合物被广泛应用于军工领域。但是，由于这类物质的性质极不稳定，难以运输，因此通常需要通过增加其他物料的手段来进行稳定。

氮气是一种惰性气体，不易发生化学反应，因此可以作为多种反应过程的保护气，例如：化学合成、热解过程、相变过程以及焊接过程等

氮气，不可燃气体，在长时间暴露于火或热的情况下，容器可能会剧烈破裂并爆炸。氮气气可能会在没有警告的情况下引起头晕或窒息。液化氮气的最初比空气重，并沿地面扩散。接触氮气气体或液体可能导致灼伤、重伤和/或冻伤。这些物质在任何已知情况下都不会发生化学反应，除了在极端条件下（液氮在与点燃镁粉混合会发生剧烈反应。由于形成氮化镁）。否则，它们不可燃、不可燃且无毒。但是他们会导致窒息。如果氮气泄露，迅速将受害者转移到新鲜空气处。如果受害者没有呼吸，请进行人工呼吸。如果呼吸困难，请及时给氧气。冻在皮肤上的衣服在脱掉之前应该先解冻。如果接触液化气体，请用温水解冻结霜的部分。