氮（Nitrogen），一种非金属元素，原子符号为N，原子序数为7。在自然界中，氮主要以单质形态存在，即氮气（N₂）。氮气是一种无色无味且化学性质相对惰性的气体，占据了 地球 大气总体积的约78%，是大气中含量最多的成分。 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： 一氧化氮 、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，氮的化合物种类繁多，不仅对人类生活有着深远影响，也在科学研究中占据重要地位。
发现历史
1674年，英国医生约翰·马约（John Mayow）证明了空气不是由单一的元素而是由不同的物质组成的。他通过展示只有一部分空气可燃而大部分不可燃来证明上述说法。大约一个世纪后， 苏格兰 化学家 约瑟夫·布莱克 （Joseph Black）和 丹尼尔·卢瑟福 （Daniel Rutherford）对空气进行了更详细的研究。1772 年，苏格兰医生丹尼尔·卢瑟福 (Daniel Rutherford) 报告了他所发现的一种他称之为“有害空气”的气体，我们现在将其称为氮气 。氮这个词，源自拉丁语nitrum， 希腊语 nitro ，最终由 法国 科学家 安托万-洛朗·德·拉瓦锡 （Antoine-Laurent de Lavoisier）确定了这种元素。他通过一系列步骤彻底去除了空气中的 氧气 和 二氧化碳 ，并发现残余气体与二氧化碳类似，不可燃，也不能让生命体存活，但与二氧化碳不同的是，这种气体不溶于水和碱溶液。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 。
1919年， 欧内斯特·卢瑟福 通过α粒子轰击 氮气 ，首次实现人工核嬗变——氮-14 原子核 被转化为氧-17并释放氢核（质子），揭示了原子核的可变性。 帕特里克·布莱克特 进一步验证这一反应机制，奠定核物理学基础。与此同时，宇宙学视角下，大质量恒星通过碳氮氧循环（CNO循环）将氢聚变为氦，碳作为催化剂参与反应，过程中生成氮并最终随 超新星 爆发扩散至星际空间。
氮元素来源与分布
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 （N 2 ）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 ）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 ，氮在地壳中的重量百分比含量是0.0046%，总量约达到4×10¹²吨。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 。
原子模型
依据对称模型，N的核外电子排布式为:1s 2 2s 2 2p 3 ，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 。
理化性质
物理性质
氮，一种 非金属元素 ，常温下以气体形态存在， 分子式 为N 2 ，密度0.0012506 g cm -3 ， 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1s 2 2s 2 2p 3 。
化学性质
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 。 15 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 。
与单质反应
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 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
与无机化合物反应
在高温与碳在的条件下， 氮气 可与氮化物进行反应
与有机化合物进行反应
氮在高频放电的情况下可以与 乙烷 、 乙炔 进行反应，生成 氢 酸 。
氮气制备
氮气的制备方法主要为分离空气法，即分馏液态空气，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，从顶部收集到的纯度约为99%的氮气被称为“普氮”，其余1%为氧气、稀有气体及水等杂质。普氮经纯化还可得到纯度为99.9%的高纯氮，这类氮气可被储存和使用。此外，实验室制备少量氮气的方法也有很多 。
氮的检测方法
土壤中氮含量的检测
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 。
传统检测方法
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 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 无机化合物 铵盐 ，之后，在碱性条件下将 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 酚蓝 ，通过比色的方法进行检测 。
光谱法测量氮含量
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 。
热裂解法检测氮含量
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 。
土壤氮含量检测试剂盒
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 氯化钾 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 。
食品中氮的检测方法
食品中含量的检测方法
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。
发酵食物中的氮检测
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 酿造酒 、蔬菜等，如酸奶、 腊肠 等、 鱼露 、 酱油 、 黄米酒 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 有机化合物 的含量 。
植物中的氮含量检测
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 抽样 ，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 。
其他的含氮量检测
水体中的含氮量的检测
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 。
氮肥中的含氮量检测
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 。
碳纳米管用于氮含量的检测
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NH 3 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NO 2 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 。
氮的应用
农业应用
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 。
工业应用
合成氨
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 -1 )，更易于被还原，使其成为了更理想的 合成氨 原料 。
储能方面的应用
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 。
催化方面的应用
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 基 催化剂 用于析氢 等方面。
医疗应用
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 由于其极低的温度，被广泛应用于实验室科研、冷冻、医疗等领域，如冷冻保存生物样本、进行低温实验、低温治疗等，有利于医疗方面的学术研究 。
军事应用
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 。
保护气体应用
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
安全事宜
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。氮气不支持呼吸，在高浓度环境中会使 氧气 含量降低，可能会在没有警告的情况下引起头晕或窒息；在封闭空间中，还需确保良好的通风，以防止氮气积聚。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，除了在特定条件下（ 氮气 与某些金属（如镁）可能发生剧烈反应，形成 氮化镁 ，同时存在火灾风险）。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 。
环境风险：氮气泄漏到环境中可能会对生态系统产生影响，例如，过量的氮可能导致 富营养化 。