氮——性质、发生、用途、效果

氮是一种化学元素，符号为 N，原子序数为 7。1772 年，一位名叫丹尼尔·卢瑟福的苏格兰医生第一个发现并分离了它。

Nitrogen is the lightest element in group 15, often known as the pnictogens. 

它是宇宙中的一种常见元素，估计银河系和太阳系中的总丰度约为 8。最常见的未结合元素是二氮，占地球大气的 78%。氮存在于所有物种中，特别是在氨基酸（以及因此的蛋白质）、核酸（DNA 和 RNA）和三磷酸腺苷（一种能量转移分子）中。在氧、碳和氢之后，氮是人体中第四大最普遍的元素，约占其质量的 3%。氮循环描述了氮在返回大气之前如何从大气移动到生物圈和有机分子。

氮的性质

1. 氮气是一种无色无味的气体，也可以用作液体。
2. 该元素以 N ₂的形式存在。
3. 由于其高键能，分子氮的反应活化能通常非常高，使其在正常条件下对大多数试剂相对惰性。
4. 此外，氮分子非凡的热力学稳定性极大地促进了许多氮化合物的热力学不稳定性，它们的键虽然很牢固，但比分子氮的键要弱得多。氮分子可以作为复杂配位化合物中的配体。
5. 氮原子的电结构由1s ² 2s ² 2p ³给出。
6. 五个外壳电子对核电荷的屏蔽很差，导致在共价半径距离处感觉到相对较大的有效核电荷。结果，氮原子尺寸小，电负性高，就这两个特性而言，介于碳和氧之间。

氮的发生

地球上最普遍的纯元素是氮。尽管如此，它在地壳中并不普遍，仅占 19 ppm。大气和生物不断交换氮分子。将氮固定成植物可用的形式，通常，氨是第一步。一些固氮是通过产生氮氧化物的雷击完成的，但大多数是由固氮细菌使用固氮酶完成的。当植物吸收氨时，它们会使用氨来产生蛋白质。这些植物中的氮分子随后被动物消化，动物利用它们来制造蛋白质并排出含氮粪便。最后，这些生物体死亡并降解，通过细菌和环境氧化和反硝化作用将游离二氮暴露于大气中。

Although excess nitrogen–bearing waste, when leached, causes eutrophication of freshwater and the establishment of marine dead zones, as nitrogen-driven bacterial growth depletes water oxygen to the point that all higher creatures die, the Haber process is generally utilised as a fertilizer. Furthermore, the nitrous oxide produced during denitrification depletes the ozone layer in the atmosphere.

为了保护自己免受环境的严重渗透影响，许多咸水鱼会产生大量的三甲胺氧化物。这种化学物质转化为二甲胺是导致咸水鱼早期恶臭的原因。在哺乳动物体内，一氧化氮与水的快速相互作用会产生代谢物亚硝酸盐。蛋白质中的动物氮代谢导致尿素的排泄，而动物核酸代谢导致尿素和尿酸的排泄。腐胺和尸胺等长链含氮胺的形成，它们分别是氨基酸鸟氨酸和赖氨酸在腐烂蛋白质中的分解产物，导致动物肉腐烂的明显气味。

氮的用途

• 它被用来制造氨，然后制造硝酸，然后用作肥料。
• 硝酸钾、硝酸铵和硝酸都是硝酸盐的例子。硝化甘油和其他硝化有机化合物是常见的炸药。
• 液氮在食品的运输和冷冻中用作制冷剂。液氮还用于保存身体和生殖细胞，以及保持生物样品的稳定性。低温液体是液氮。当在杜瓦瓶等容器中适当隔热时，它可以以最小的蒸发损失进行运输和储存。
• 一些建筑设备利用压缩氮气来帮助液压系统为液压锤等设备提供更多动力。叠氮化钠分解产生氮气，用于给安全气囊充气。
• 土壤中含有大量的氮分子。氮可以以硝酸盐和亚硝酸盐的形式存在于水和土壤中。这些分子都是与碳循环相关的氮循环的一部分。
• 对于惰性气体窒息，氮气已成为首选的惰性气体。
• 当空气中的氧气会引起火灾、爆炸或氧化危险时，该气体被用作惰性气氛。

Nitrogen in the environment

Nitrogen molecules are mostly found in the air. Nitrogen is found in the form of nitrates and nitrites in water and soil. The nitrogen cycle encompasses all of these elements, and they are all interrelated. Humans have drastically altered natural nitrate and nitrite proportions, owing primarily to the use of nitrate-containing manures. 

Industrial firms produce a lot of nitrogen, which leads to an increase in nitrate and nitrite supplies in soil and water as a result of nitrogen cycle reactions. As a result, nitrate concentrations in drinking water will skyrocket.

氮的环境影响

人类已经彻底改变了天然硝酸盐和硝酸盐的来源。化肥的广泛使用是硝酸盐和亚硝酸盐的主要来源。由于氮氧化物的释放，可以在环境中转化为硝酸盐和亚硝酸盐，燃烧操作也可以改善硝酸盐和亚硝酸盐的供应。

硝酸盐和亚硝酸盐也在化学品制造过程中产生，并被用作食品防腐剂。因此，地下水和地表水中的氮浓度以及食物中的氮含量急剧上升。由于特定生物体对氮化合物的影响很敏感，向环境中添加氮键可能会改变物种的组成。

示例问题

问题 1：氮在哪里找到？

回答：

It is the universe’s fifth most plentiful element, accounting for around 78 percent of the earth’s atmosphere and containing an estimated 4,000 trillion tonnes of gas. Fractional distillation is a method of extracting nitrogen from liquefied air.

问题2：氮气罐是做什么用的？

回答：

Nitrogen is utilised to avoid oxidation and to create a safe, inert environment that sweeps away furnace-generated gases. This can also be used as a laser cutting aid steam to make plasma cutting easier. Nitrogen is employed in a wide range of upstream and midstream electrical applications.

问题3：如果不存在固氮细菌会怎样？

回答：

Bacteria convert nitrogen and carbon dioxide in the air into useful components that plants and animals can use as building blocks. To living beings, the loss of all microorganisms would be devastating news since they would no longer be able to create or obtain necessary nutrients on their own.

问题4：氮气是如何固定的？

回答：

In the soil, a diverse group of microorganisms known as diazotrophs, including bacteria like Azotobacter and archaea, naturally fix nitrogen. Certain plant families have symbiotic relationships with nitrogen-fixing bacteria, particularly legumes.

问题5：氮是如何在环境中产生的？

回答：

The majority of nitrogen molecules are present in the atmosphere. In water and soil, nitrogen is found in the form of nitrates and nitrites.