窒素

窒素、  ₇ N

窒素
同素体	窒素の同素体を参照してください
外観	無色の気体、液体または固体
標準原子量Ar 、std（N）	[14.006 43、 14.007 28 ]従来型： 14.007 [1]
周期表の窒素
水素 ヘリウム リチウム ベリリウム ボロン 炭素 窒素 空気 フッ素 ネオン ナトリウム マグネシウム アルミニウム ケイ素 リン 硫黄 塩素 アルゴン カリウム カルシウム スカンジウム チタン バナジウム クロム マンガン 鉄 コバルト ニッケル 銅 亜鉛 ガリウム ゲルマニウム 砒素 セレン 臭素 クリプトン ルビジウム ストロンチウム イットリウム ジルコニウム ニオブ モリブデン テクネチウム ルテニウム ロジウム パラジウム 銀 カドミウム インジウム 錫 アンチモン テルル ヨウ素 キセノン セシウム バリウム ランタン セリウム プラセオジム ネオジム プロメチウム サマリウム ユーロピウム ガドリニウム テルビウム ジスプロシウム ホルミウム エルビウム ツリウム イッテルビウム ルテチウム ハフニウム タンタル タングステン レニウム オスミウム イリジウム 白金 ゴールド 水銀（元素） タリウム 鉛 ビスマス ポロニウム アスタチン ラドン フランシウム ラジウム アクチニウム トリウム プロトアクチニウム。 ウラン ネプツニウム プルトニウム アメリシウム キュリウム バークリウム カリホルニウム アインスタイニウム フェルミウム メンデレビウム ノーベリウム ローレンシウム ラザホージウム ドブニウム シーボーギウム ボーリウム ハッシウム マイトネリウム ダームスタチウム レントゲニウム コペルニシウム ニホニウム フレロビウム モスコビウム リバモリウム テネシン オガネソン – ↑ N ↓ P 炭素←窒素→酸素
原子番号 （Z）	7
グループ	グループ15（プニクトゲン）
限目	期間2
ブロック	pブロック
電子配置	[彼] 2s 2 2p 3
シェルあたりの電子数	2、5
物理的特性
STPでの フェーズ	ガス
融点	（N 2）63.23 [2]  K（−209.86 [2]  °C、−345.75 [2]  °F）
沸点	（N 2）77.355 K（−195.795°C、−320.431°F）
密度 （STPで）	1.2506 g / L [3]、0°C、1013 mbar
液体の場合（  bpで）	0.808 g / cm 3
三重点	63.151 K、12.52 kPa
臨界点	126.21 K、3.39 MPa
融合熱	（N 2）0.72  kJ / mol
蒸発熱	（N 2）5.57 kJ / mol
モル熱容量	（N 2）29.124 J /（mol・K）
蒸気圧 P （Pa） 1 10 100 1 k 10 k 100 k T （K）で  37 41 46 53 62 77
原子特性
酸化状態	−3、−2、−1、0、 [4] + 1、+ 2、 + 3、+ 4、 + 5（強酸性酸化物）
電気陰性度	ポーリングスケール：3.04
イオン化エネルギー	1番目：1402.3 kJ / mol 2番目：2856 kJ / mol 3位：4578.1 kJ / mol （もっと）
共有結合半径	71±  1pm
ファンデルワールス半径	午後155時
窒素のスペクトル線
その他のプロパティ
自然発生	原始的
結晶構造	六角形
音速	353 m / s（ガス、27°C）
熱伝導率	25.83× 10-3W  /（m・K）
磁気秩序	反磁性
CAS番号	17778-88-0 7727-37-9（N 2）
歴史
発見	ダニエル・ラザフォード（1772）
によって名付けられた	ジャン=アントワーヌチャプタル（1790）
窒素の主な同位体
アイソトープ 豊富 半減期 （t 1/2） 崩壊モード 製品 13 N syn 9.965分 ε 13 C 14 N 99.6％ 安定 15 N 0.4％ 安定
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窒素は、記号Nと原子番号7の化学元素です。 1772年にスコットランドの医師ダニエルラザフォードによって最初に発見され、分離されました。カールウィルヘルムシェールとヘンリーキャベンディッシュはほぼ同時に独立してそうしましたが、ラザフォードは一般に彼の作品が最初に出版されたのでクレジット。ニトロゲンという名前は、1790年にフランスの化学者ジャン＝アントワーヌ＝クロードチャプタルによって、硝酸と硝酸塩に窒素が存在することが判明したときに示唆されました。アントワーヌ・ラヴォワジエ 代わりに、古代ギリシャ語からの名前azoteを提案しました：ἀζωτικός「生命がない」、それは窒息性ガスであるため; この名前は、フランス語、イタリア語、ロシア語、ルーマニア語、ポルトガル語、トルコ語を含むいくつかの言語で使用され、ヒドラジン、アジド、アゾ化合物などのいくつかの窒素化合物の英語名に表示されます。

窒素は非金属であり、周期表のグループ15の中で最も軽いメンバーであり、しばしばプニクトゲンと呼ばれます。これは宇宙の一般的な元素であり、天の川と太陽系の総量で7番目と推定されています。標準の温度と圧力では、元素の2つの原子が結合して、無色無臭の_二原子ガスであるN2を形成します。N _2は、地球の大気の約78％を形成し、最も豊富な未結合の元素になっています。窒素はすべての生物、主にアミノ酸で発生します （したがってタンパク質）、核酸（DNAおよびRNA）およびエネルギー伝達分子であるアデノシン三リン酸。人体には、質量で約3％の窒素が含まれています。これは、酸素、炭素、水素に次いで、体内で4番目に豊富な元素です。窒素循環は、空気から生物圏および有機化合物へ、そして大気へと戻る 元素の移動を表します。

アンモニア、硝酸、有機硝酸塩（推進剤と爆発物）、シアン化物など、多くの産業上重要な化合物には窒素が含まれています。一酸化炭素（CO）に次いで二原子分子で2番目に強い結合である元素窒素（N≡N）の非常に強い三重結合^[5]は、窒素化学を支配します。これは、生物と産業の両方にとって、N2を有用な化合物に変換することを困難に_します。、しかし同時に、それは窒素化合物を燃焼、爆発、または分解して窒素ガスを形成することを意味し、多くの場合有用なエネルギーを大量に放出します。合成的に生成されたアンモニアと硝酸塩は重要な工業用肥料であり、硝酸肥料は水システム の富栄養化における重要な汚染物質です。

肥料やエネルギー貯蔵庫での使用とは別に、窒素は、高強度の布地で使用されるケブラーやスーパーグルーで使用されるシアノアクリレートと同じくらい多様な有機化合物の構成要素です。窒素は、抗生物質を含むすべての主要な医薬品クラスの構成要素です。多くの薬は、天然の窒素含有シグナル分子の模倣物またはプロドラッグです。たとえば、有機硝酸塩のニトログリセリンとニトロプルシドは、一酸化窒素に代謝されることによって血圧を制御します。天然カフェインやモルヒネまたは合成アンフェタミンは、動物の神経伝達物質の受容体に作用します。

歴史

窒素化合物は非常に長い歴史があり、塩化アンモニウムはヘロドトスに知られています。彼らは中世によく知られていました。錬金術師は、硝酸をアクアフォルティス（強水）として、またアンモニウム塩や硝酸塩などの他の窒素化合物として知っていました。硝酸と塩酸の混合物は王水（王水）として知られており、金属の王様である金を溶かす能力で有名です。^[6]

窒素の発見は、1772年にスコットランドの医師ダニエルラザフォードがそれを有害な空気と呼んだことに起因しています。^{[7] [8]}彼はそれを完全に異なる化学物質として認識していなかったが、それをジョセフ・ブラックの「固定空気」または二酸化炭素と明確に区​​別した。^[9]ラザフォードは、それが元素であることに気づいていなかったものの、燃焼をサポートしない空気の成分があったという事実は明らかでした。窒素は、カール・ヴィルヘルム・シェール^[10] ヘンリー・キャベンディッシュ[ ^11]とジョセフ・プリーストリー[11]によってほぼ同時に研究されました。^[12]それを焦げた空気またはphlogisticated空気と呼んだ人。フランス語の化学者アントワーヌ・ラヴォワジエは、窒素ガスをギリシャ語のάζωτικός （ azotikos ）から「生命がない」と呼んでいます。これは、ほとんどが不活性であるためです。^{[13] [14]}純粋な窒素の雰囲気の中で、動物は死に、炎は消えた。Lavoisierの名前は英語では受け入れられませんでしたが、ほとんどすべてのガス（実際、酸素を除いて）はメフィティックであることが指摘されたため、多くの言語（フランス語、イタリア語、ポルトガル語、ポーランド語、ロシア語、アルバニア語、トルコ語など;ドイツ語Stickstoffも同様に、同じ特性を指します。erstickenは「窒息または窒息する」）、ヒドラジンやアジドイオンの化合物などの多くの窒素化合物の一般名で英語のままです。最後に、それはギリシャ語のπνίγεινから「窒息する」まで、窒素が率いるグループの「 pnictogens 」という名前につながりました。^[6]

英語の窒素（1794）は、1790年にフランスの化学者Jean-Antoine Chaptal（1756–1832）によって造られたフランスの硝石から、[ ^15]フランスの硝石（硝酸カリウム、 saltpeterとも呼ばれる）とフランス語の接尾辞から言語を入力しました。 -gène、「生産」、ギリシャ語-γενής（-genes、「生まれた」）から。Chaptalの意味は、窒素が硝酸の本質的な部分であり、硝酸が硝石から生成されるということでした。以前は、硝石はエジプトの「ナトロン」（炭酸ナトリウム）と混同されていました）–ギリシャ語でνίτρον（硝石）と呼ばれます–名前にもかかわらず、硝酸塩は含まれていませんでした。^[16]

窒素化合物の初期の軍事、産業、および農業用途では、ソルトピーター（硝酸ナトリウムまたは硝酸カリウム）が使用され、特に火薬に使用され、後に肥料として使用されました。1910年、レイリー卿は、窒素ガスの放電により、窒素の単原子 同素体である「活性窒素」が生成されることを発見しました。^[17]彼の装置によって生成された「鮮やかな黄色の光の渦巻く雲」は、水銀と反応して爆発性の水銀窒化物を生成した。^[18]

長い間、窒素化合物の供給源は限られていました。天然資源は、生物学または大気反応によって生成された硝酸塩の堆積物のいずれかに由来します。フランク-カロプロセス（1895–1899）やハーバーボッシュプロセス（1908–1913）などの工業プロセスによる窒素固定により、この窒素化合物の不足が緩和され、世界の食料生産の半分（アプリケーションを参照）が合成に依存するようになりました。窒素肥料。^[19]同時に、工業用窒素固定から硝酸塩を製造するためのオストワルドプロセス（1902）の使用により、製造における原料としての硝酸塩の大規模な工業生産が可能になりました。20世紀の世界大戦での爆発物。^{[20] [21]}

プロパティ

Atomic

窒素原子には7つの電子があります。基底状態では、それらは電子配置1sに配置されます²
2秒²
2p¹
_x2p¹
_年2p¹
_z。したがって、2s軌道と2p軌道に5つの価電子があり、そのうち3つ（p電子）は対になっていない。元素の中で最も高い電気陰性度の1つ（ポーリングスケールで3.04 ）を持ち、塩素（3.16）、酸素（3.44）、およびフッ素（3.98）のみを上回っています。（軽希ガス、ヘリウム、ネオン、およびアルゴンも、おそらく電気陰性度が高く、実際にはアレンスケールです。）^[22]周期的な傾向に従うと、71pmの単結合共有半径はそれらよりも小さくなります。ホウ素（84 pm）と炭素（76 pm）は、酸素（66 pm）やフッ素（57 pm）よりも大きいです。窒化物アニオンN3-は、酸化物（O ^2-：140 pm）およびフッ化物（F- ^： 133 pm）アニオンと同様に、 ^146pmではるかに大きくなります。^[22]窒素の最初の3つのイオン化エネルギーは1.402、2.856、および4.577 MJ・mol ^-1であり、4番目と5番目の合計は次のようになります。16.920MJ・mol ^-1。これらの非常に高い数値のために、窒素には単純なカチオン化学がありません。^[23]

2pサブシェルに放射状ノードがないことは、特に窒素、酸素、およびフッ素における、 pブロックの最初の行の異常な特性の多くの直接的な原因です。2pサブシェルは非常に小さく、2sシェルと非常によく似た半径を持っているため、軌道混成が容易になります。また、原子核と2sおよび2pシェルの価電子との間に非常に大きな静電引力が生じ、電気陰性度が非常に高くなります。同じ理由で、2p元素の過価はほとんど不明です。これは、電気陰性度が高いため、小さな窒素原子が電子豊富な3中心4電子結合の中心原子になることが困難になるためです。それは電子をそれ自体に強く引き付ける傾向があるからです。したがって、周期表のグループ15の先頭にある窒素の位置にもかかわらず、その化学的性質は、より重い同族体であるリン、ヒ素、アンチモン、およびビスマスの化学的性質とは大きく異なります。^[24]

窒素は、その水平方向の隣接炭素と酸素、およびプニクトゲンカラムの垂直方向の隣接炭素、リン、ヒ素、アンチモン、およびビスマスと比較すると便利です。リチウムから酸素までの各周期2元素は、次のグループの周期3元素（マグネシウムから塩素まで。これらは対角関係として知られています）といくつかの類似点を示しますが、それらの次数はホウ素とシリコンのペアを超えて急激に低下します。窒素と硫黄の類似性は、両方の元素が存在する唯一の元素である場合、ほとんどの場合、窒化硫黄環化合物に限定されます。^[25]

窒素は、カテネーションに対する炭素の傾向を共有していません。炭素と同様に、窒素は金属とイオン性または金属性の化合物を形成する傾向があります。窒素は、鎖状、黒鉛状、およびフラーレン状の構造を持つものを含む、炭素との広範な一連の窒化物を形成します。^[26]

これは、電気陰性度が高く、水素結合に付随する能力と、孤立電子対を提供することによって配位錯体を形成する能力を備えた酸素に似ています。_{アンモニアNH3}と水H2 _Oの化学的性質には、いくつかの類似点があります。たとえば、プロトン化してNH ⁴⁺_とH3 O ⁺を生成するか、脱プロトン化してNH2-^と_OH-を_生成する能力^。これらはすべて、固体化合物で分離できます。^[27]

_{窒素は、 pπ} – _pπ相互作用を介して、通常は炭素、酸素、または他の窒素原子と多重結合を形成するという優先順位を、その水平方向の隣接物の両方と共有します。^[25]_{したがって、たとえば、窒素は二原子分子として発生するため、N 2}分子のみが保持されるため、他のグループよりも融点（-210°C）と沸点（-196°C）が非常に低くなります。弱いファンデルワールス相互作用によって一緒になり、重要な瞬間双極子を作成するために利用できる電子はほとんどありません。これは、その垂直の隣人には不可能です。したがって、窒素酸化物、亜硝酸塩、硝酸塩、ニトロ-、ニトロソ-、アゾ-、およびジアゾ-化合物、アジド、シアネート、チオシアン酸塩、およびイミノ誘導体は、リン、ヒ素、アンチモン、またはビスマスとのエコーを検出しません。しかし、同じように、リンのオキソ酸の複雑さは、窒素とのエコーを発見しません。^[25]それらの違いは別として、窒素とリンは互いに広範な一連の化合物を形成します。これらはチェーン、リング、およびケージ構造を持っています。^[28]

アイソトープ

窒素には2つの安定同位体があります^。14Nと^15Nです。1つ目ははるかに一般的で、天然窒素の99.634％を構成し、2つ目（わずかに重い）は残りの0.366％を構成します。これにより、原子量は約14.007uになります。^[22]これらの安定同位体は両方とも、星のCNOサイクルで生成されますが、中性子捕獲が律速段階であるため、14Nがより一般的です^。14 Nは、5つの安定した奇数-奇数核種（陽子と中性子の数が奇数の核種）の1つです。他の4つは^2H、⁶ Li、^10ですB、^180mTa。^[29]

^14Nと^15Nの相対的な存在量は、大気中では実質的に一定ですが、生物学的酸化還元反応からの自然同位体分別と天然アンモニアまたは硝酸の蒸発により、他の場所で変化する可能性があります。^[30]生物学的に媒介された反応（例えば、同化、硝化、および脱窒）は、土壌中の窒素動態を強力に制御します。これらの反応により、通常、基質が¹⁵ N濃縮され、生成物が枯渇します。^[31]

重い同位体^{15Nは、隣接する元素で}ある酸素と炭素の重い同位体が発見された直後の1929年にSMNaudéによって最初に発見されました。^[32]これは、すべての同位体の中で最も低い熱中性子捕獲断面積の1つを示しています。^[33]核磁気共鳴（NMR）分光法では、窒素含有分子の構造を決定するために頻繁に使用されます。これは、核スピンが半分であるため、線幅が狭いなどのNMRの利点があります。¹⁴ Nは、理論的には使用可能ですが、整数の核スピンが1であるため、四重極モーメントがあります。これにより、スペクトルが広くなり、有用性が低下します。^{[22] それにもかかわらず、 15} N NMRには、より一般的な1Hおよび^13CNMR分光法では遭遇しない複雑さがあります。¹⁵ N（0.36％）の低い天然存在比は、感度を大幅に低下させます。この問題は、その低い磁気回転比（ ¹ Hの10.14％のみ）によってのみ悪化します。^{その結果、 1} Hの信号対雑音比は、同じ磁場強度で15N^の信号対雑音比の約300倍になります。^[34]これは、化学交換または分別蒸留による^15Nの同位体濃縮によっていくらか軽減される可能性があります。¹⁵ Nに富む化合物には、大気から遠ざける必要のある標識水素、炭素、および酸素同位体を持つ化合物とは異なり、標準的な条件下では、窒素原子が大気中の窒素と化学的に交換されないという利点があります。^{[22] 15} N：¹⁴ N比は、地球化学、水文学、古気候学、古海洋学の分野で安定同位体分析に一般的に使用されており、 δ15Nと^呼ばれます。^[35]

^12Nから^23Nの範囲で合成的に生成された他の10の同位体のうち、¹³ Nの半減期は10分で、残りの同位体の半減期は秒（^16Nと^17N）またはミリ秒のオーダーです。他の窒素同位体は、陽子ドリップラインの外に出て陽子や中性子を漏らしてしまうため、不可能です。^[36]半減期の違いを考えると、¹³ Nは最も重要な窒素放射性同位元素であり、陽電子放出断層撮影で使用するのに十分な長寿命です。（PET）、その半減期はまだ短いので、PETの会場で、たとえば16Oの陽子衝撃によって13Nとアルファ粒子を生成する^{サイクロトロン}で^生成する必要があります。^[37]

放射性同位元素16N ^は、通常の運転中の加圧水型原子炉または沸騰水型原子炉の冷却材中の主要な放射性核種であり、したがって、一次冷却材システムから二次蒸気サイクルへの漏れの高感度かつ即時の指標であり、主要な手段です。そのような漏れの検出の。これは、16 O原子が中性子を捕獲して陽子を放出する（n、p）反応を^介して（水中の）16O^{から生成されます。}半減期は約7.1秒と短い^{[36]が、崩壊中に16} Oに戻ると、高エネルギーのガンマ線（5〜7 MeV）が発生します。^{[36] [38]}このため、原子炉の運転中は、加圧水型原子炉の一次冷却材配管へのアクセスを制限する必要があります。^[38]

化学と化合物

同素体

原子状窒素は、活性窒素とも呼ばれ、反応性が高く、3つの不対電子を持つトリラジカルです。遊離窒素原子はほとんどの元素と容易に反応して窒化物を形成し、2つの遊離窒素原子が衝突して励起されたN _{2分子を生成する場合でも}、二酸化炭素や水などの安定した分子との衝突時に大量のエネルギーを放出してホモリティック分裂を引き起こす可能性があります原子状窒素は、0.1〜2 mmHgの窒素ガスに放電を通過させることによって調製されます。原子状窒素は、数分間残光としてゆっくりと消える桃黄色の放出とともに原子状窒素を生成します。放電が終了した後でも。^[25]

原子状窒素の反応性が高いことを考えると、元素状窒素は通常、分子状窒素₂、二窒素として発生します。この分子は、標準状態では無色、無臭、無味の反磁性ガスです。-210°Cで溶融し、-196°Cで沸騰します。^[25]二窒素は室温ではほとんど反応しませんが、それでもリチウム金属やいくつかの遷移金属錯体と反応します。これは、N≡N三重結合を持っているという点で標準状態の二原子元素の中で独特であるその結合によるものです。。三重結合は結合長が短く（この場合は109.76 pm）、解離エネルギーが高い（この場合は945.41 kJ / mol）ため、非常に強力であり、二窒素の化学的不活性を説明しています。^[25]

他の窒素オリゴマーおよびポリマーが可能である可能性があります。それらを合成できれば、強力な推進剤や爆発物として使用できる非常に高いエネルギー密度の材料としての潜在的な用途があるかもしれません。^[39]ダイヤモンドアンビルセルで生成されるよう な非常に高い圧力（110万 気圧）と高温（2000 K）の下で、窒素は単結合の立方晶ゴーシュ結晶構造に重合します。この構造はダイヤモンドの構造に似ており、どちらも非常に強い共有結合を持っているため、「窒素ダイヤモンド」というニックネームが付けられています。^[40]

大気圧では、分子状窒素は77  K（-195.79° C ）で凝縮（液化）し、63 K（-210.01° C ）で凍結し^[41]、ベータ六角形の最密結晶同素体になります。35.4 K（-237.6°C）未満では、窒素は立方晶同素体（アルファ相と呼ばれる）になります。^[42]液体窒素は、外観は水に似ているが、密度が80.8％（沸点での液体窒素の密度は0.808 g / mL）の無色の液体で、一般的な低温剤です。^[43]固体窒素 多くの結晶修飾があります。それは冥王星^[44]とトリトンのような太陽系の外衛星に重要な動的表面被覆を形成します。^[45]固体窒素の低温でさえ、それはかなり揮発性であり、昇華して大気を形成したり、凝縮して窒素の霜に戻ったりする可能性があります。それは非常に弱く、氷河の形で流れ、トリトンの間欠泉では極地の氷冠地域から窒素ガスが発生します。^[46]

二窒素錯体

発見された二窒素錯体の最初の例は[Ru（NH ₃）₅（N ₂）] ²⁺（右の図を参照）であり、すぐに他の多くのそのような錯体が発見されました。窒素分子が少なくとも1つの孤立電子対を中央の金属カチオンに供与するこれらの錯体は、 _N2がニトロゲナーゼおよびハーバープロセスの触媒の金属にどのように結合するかを示しています。生物学と肥料の生産において非常に重要です。^{[47] [48]}

二窒素は、5つの異なる方法で金属に配位することができます。よりよく特徴付けられた方法は、エンドオンM←N≡N（η1 ^）およびM←N≡N→M（μ、 bis ^- η1）であり、窒素原子上の孤立電子対が金属カチオン。あまりよく特徴付けられていない方法は、三重結合からの電子対を、2つの金属カチオン（μ、bis-η2）または1つだけ（η2）への^架橋配位子として二窒素供与すること^を含みます。5番目のユニークな方法は、架橋配位子としての三重配位を含み、三重結合（ μ3 _- N2 ）から₃つの電子対すべてを提供します。）。いくつかの錯体は複数のN2_配位子を特徴とし、いくつかは複数の方法で結合した_{N2を特徴とします。}N ₂は一酸化炭素（CO）およびアセチレン（C ₂ H _{2 ）と等電子的であるため、N 2}はCOよりも弱いσ-ドナーおよびπ-アクセプターですが、二窒素錯体の結合はカルボニル化合物の結合と密接に関連しています。理論的研究によると、σ供与は、ほとんどがN–N結合を弱めるだけであるπ逆供与よりもM–N結合の形成を可能にする重要な要因であり、エンドオン（ η^{1 ）寄付は、サイドオン（} η2 ）^寄付よりも簡単に実行できます。^[25]

今日、二窒素錯体はほとんどすべての遷移金属で知られており、数百の化合物を占めています。それらは通常3つの方法で準備されます：^[25]

1. H ₂ O、H-、またはCOなどの不安定な配位子を窒素で直接置き換える^：これらは、穏やかな条件で進行する可逆反応であることがよくあります。
2. 窒素ガス下で過剰な適切なコリガンドの存在下での金属錯体の還元。一般的な選択には、塩化物配位子をジメチルフェニルホスフィン（PMe ₂ Ph）に置き換えて、元の塩素配位子よりも結合している窒素配位子の数を補うことが含まれます。
3. ヒドラジンやアジドなどのN–N結合を持つ配位子を、直接二窒素配位子に変換します。

時折、N≡N結合は、例えば配位アンモニア（NH ₃）を亜硝酸（HNO ₂ ）と直接反応させることにより、金属錯体内で直接形成される場合がありますが、これは一般的には当てはまりません。ほとんどの二窒素錯体は、白-黄-オレンジ-赤-茶色の範囲内の色を持っています。青[{Ti（ η5 -C5 ^H 5 _） 2 _} 2- _（ N _2-）]など、いくつかの例外が知られてい_ます。^[25]

窒化物、アジド、および窒化物錯体

窒素は、最初の3つの希ガス、ヘリウム、ネオン、アルゴンを除く周期表のほぼすべての元素と、ビスマス後の非常に寿命の短い元素の一部に結合し、さまざまな特性と用途を持つ多種多様な二元化合物を生成します。^[25]多くの二元化合物が知られています。水素化窒素、酸化物、フッ化物を除いて、これらは通常、窒化物と呼ばれます。多くの化学量論的相は通常、ほとんどの元素に存在します（MnN、Mn ₆ N ₅、Mn ₃ N ₂、Mn ₂ N、Mn _{4など）。}N、および9.2 < _x <25.3の場合はMnx N）。それらは、「塩のような」（主にイオン性）、共有結合、「ダイヤモンドのような」、および金属（または侵入型）として分類できますが、この分類には、一般に、個別の個別のタイプではなく、結合タイプの連続性に起因する制限があります。それが意味すること。それらは通常、金属を窒素またはアンモニアと直接反応させることによって（時には加熱後に）、または金属アミドの熱分解によって調製されます： ^[49]

₃ Ca + N2 _→ Ca3 N ₂

₃ Mg + 2 NH3 →Mg3 N _{2 + 3} H ₂（900°Cで）

3 Zn（NH ₂）₂ →Zn ₃ N ₂ + 4 NH ₃

これらのプロセスには多くのバリエーションがあります。これらの窒化物の中で最もイオン性の高いものは、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のものであり、Li ₃ N（Na、K、Rb、およびCsは立体的な理由で安定した窒化物を形成しません）およびM ₃ N ₂（M = Be、Mg、 Ca、Sr、Ba）。これらは正式には^N3-アニオンの塩と考えることができますが、これらの高度に電気陽性の元素であっても、電荷の分離は実際には完全ではありません。ただし、アルカリ金属アジド_NaN3およびKN3は、線形Nを特徴としてい_ます。⁻
_{3陰イオンは、Sr（N 3}）₂およびBa（N ₃）₂と同様に、よく知られています。Bサブグループの金属（グループ11から16のアジド）は、イオン性がはるかに低く、構造がより複雑で、衝撃を受けるとすぐに爆発します。^[49]

多くの共有二元窒化物が知られている。例としては、シアン化物（（CN）₂）、窒化三リン（P ₃ N ₅）、二硝酸二硫黄（S ₂ N ₂）、四窒化四硫化窒素（S ₄ N ₄）などがあります。本質的に共有結合の窒化ケイ素（Si ₃ N ₄）と窒化ケイ素（Ge ₃ N ₄）も知られています。特に窒化ケイ素は有望なセラミックになります。それを使用して焼結することの難しさのためでなければ。特に、13族の窒化物は、そのほとんどが有望な半導体であり、グラファイト、ダイヤモンド、および炭化ケイ素と等電子であり、同様の構造を持っています。グループが下降するにつれて、それらの結合は共有結合から部分イオン、金属に変化します。特に、B–NユニットはC–Cと等電子であり、炭素は本質的にホウ素と窒素の中間のサイズであるため、有機化学の多くは、ボラジン（「無機ベンゼン」）などのホウ素-窒素化学でエコーを検出します。 ）。それにもかかわらず、求核性の容易さのために、類推は正確ではありません完全に炭素を含む環では不可能な、電子の不足によるホウ素への攻撃。^[49]

_{窒化物の最大のカテゴリーは、式MN、M 2} N、およびM ₄ Nの侵入型窒化物です（可変組成は完全に可能ですが）。ここで、小さな窒素原子は、金属の立方体または六角形の最密格子のギャップに配置されます。 。それらは不透明で、非常に硬く、化学的に不活性であり、非常に高い温度（通常は2500°C以上）でのみ溶融します。金属光沢があり、金属と同じように電気を通します。それらは非常にゆっくりと加水分解して、アンモニアまたは窒素を生成します。^[49]

窒化物アニオン（N ^3-）は、配位子の中で知られている最強のπドナーです（2番目に強いのはO ^2-）。ニトリド錯体は一般にアジドの熱分解またはアンモニアの脱プロトン化によって作られ、通常は末端の{≡N} ^3-基を含みます。線形アジドアニオン（N⁻
₃）、亜酸化窒素、二酸化炭素、およびシアネートと等電子的であるため、多くの配位錯体を形成します。Nが、それ以上のカテネーションはまれですが⁴⁻
₄（炭酸塩と硝酸塩との等電子的）が知られています。^[49]

水素化物

工業的には、アンモニア（NH ₃）は窒素の最も重要な化合物であり、他のどの化合物よりも大量に調製されます。これは、食品や肥料の前駆体として機能することにより、陸生生物の栄養ニーズに大きく貢献するためです。独特の刺激臭のある無色のアルカリ性ガスです。水素結合の存在は、アンモニアに非常に大きな影響を及ぼし、その高融点（-78°C）と沸騰（-33°C）を与えます。液体としては、気化熱が高く（魔法瓶での使用が可能）、粘度と導電率が低く、誘電率が高い非常に優れた溶媒です。、および水よりも密度が低くなります。ただし、NH _{3の水素結合は、酸素と比較して窒素の電気陰性度が低く、H 2O}の2つではなく_NH3に孤立電子対が1つしかないため、H 2Oの水素結合よりも弱いです_。これは弱い塩基です。水溶液中（p K _b 4.74）; その共役酸はアンモニウム、NHです⁺
₄。また、非常に弱い酸として作用し、プロトンを失ってアミドアニオンNHを生成することもあります。⁻
₂。したがって、水と同様に自己解離を起こし、アンモニウムとアミドを生成します。アンモニアは空気または酸素中で燃焼しますが、容易ではありませんが、窒素ガスを生成します。緑がかった黄色の炎でフッ素中で燃焼し、三フッ化窒素を生成します。他の非金属との反応は非常に複雑で、生成物の混合物につながる傾向があります。アンモニアは金属と加熱すると反応して窒化物を生成します。^[51]

他の多くの二元窒素水素化物が知られていますが、最も重要なのはヒドラジン（N ₂ H ₄）とアジ化水素（HN ₃）です。窒素水素化物ではありませんが、ヒドロキシルアミン（NH ₂ OH）は、特性と構造がアンモニアやヒドラジンと似ています。ヒドラジンは、アンモニアに似たにおいがする、発煙性の無色の液体です。その物性は水と非常によく似ています（融点2.0°C、沸点113.5°C、密度1.00 g / cm ³）。吸熱性化合物であるにもかかわらず、速度論的に安定しています。それは非常に発熱的に空気中で迅速かつ完全に燃焼し、窒素と水蒸気を与えます。それは非常に有用で用途の広い還元剤であり、アンモニアよりも弱い塩基です。^[52]ロケット燃料としても一般的に使用されています。^[53]

ヒドラジンは一般に、ゼラチンまたは接着剤の存在下でアンモニアとアルカリ性次亜塩素酸ナトリウムを反応させることによって作られます： ^[52]

NH ₃ + OCl ⁻ →NH ₂ Cl + OH ⁻

NH ₂ Cl + _NH3 → N
₂H⁺
₅+ Cl ⁻（遅い）

N
₂H⁺
₅+ OH ⁻ →N ₂ H ₄ + H ₂ O（速い）

^{（水酸化物とアンモニアによる攻撃が逆転し、代わりに中間体NHCl-}を通過する可能性があります。）ゼラチンを追加する理由は、モノクロラミン（NH ₂ ）との反応によってヒドラジンの破壊を触媒するCu2 ⁺などの金属イオンを除去するためです。Cl）塩化アンモニウムと窒素を生成します。^[52]

アジ化水素（HN ₃）は、1890年に亜硝酸によるヒドラジン水溶液の酸化によって最初に生成されました。それは非常に爆発的であり、希薄な溶液でさえ危険である可能性があります。それは不快で刺激的な臭いがあり、潜在的に致命的な（しかし累積的ではない）毒です。これは、アジドアニオンの共役酸と見なすことができ、同様にハロゲン化水素酸に類似しています。^[52]

ハロゲン化物およびオキソハロゲン化物

4つの単純な窒素三ハロゲン化物はすべて知られています。いくつかの混合ハロゲン化物とハロゲン化水素塩が知られていますが、ほとんどが不安定です。例には、NClF ₂、NCl ₂ F、NBrF _2、 NF ₂ H、NFH ₂、NCl ₂ H、およびNClH2が含まれます。^[54]

5つのフッ化窒素が知られています。三フッ化窒素（NF ₃ 、1928年に最初に調製）は、熱力学的に安定した無色無臭のガスであり、無水フッ化水素に溶解した溶融フッ化アンモニウムの電気分解によって最も容易に生成されます。四フッ化炭素のように、それはまったく反応性がなく、水または希薄な水性酸またはアルカリ中で安定です。加熱した場合にのみフッ素化剤として作用し、高温で接触すると銅、ヒ素、アンチモン、ビスマスと反応してテトラフルオロヒドラジン（N ₂ F ₄）を生成します。陽イオンNF⁺
₄およびN
₂F⁺
₃ONF ₃と同様に（後者はテトラフルオロヒドラジンを五フッ化ヒ素などの強力なフッ化物受容体と反応させることから）、部分的な二重結合を意味する短いN–O距離と、非常に極性が高く長いN–Fのために関心を呼んでいます。つなぐ。テトラフルオロヒドラジンは、ヒドラジン自体とは異なり、室温以上で解離してラジカルNF2 _•を生成します。フッ素アジド（FN ₃）は非常に爆発性が高く、熱的に不安定です。二フッ化二窒素（N ₂ F ₂）は、熱的に相互変換可能なシスおよびトランスとして存在します_{異性体であり、 FN3}の熱分解の生成物として最初に発見されました。^[54]

三塩化窒素（NCl _{3 ）は、密度が高く、揮発性で爆発性の液体であり、その物理的特性は}四塩化炭素と同様ですが、NCl ₃は水によって容易に加水分解されますが、CCl4_はそうではありません。1811年にピエール・ルイ・デュロンによって最初に合成されました。ピエール・ルイ・デュロンは、その爆発的な傾向に3本の指と目を失いました。希薄ガスとしては危険性が低いため、小麦粉の漂白と殺菌に工業的に使用されています。1975年に最初に調製された三臭化窒素（NBr ₃）は、-100°Cでも爆発する深紅の温度感受性の揮発性固体です。三ヨウ化窒素（NI ₃）はさらに不安定で、1990年にのみ製造されました。以前に知られているアンモニアとの付加物は、非常に衝撃に敏感です。羽に触れる、気流の変化、さらにはアルファ粒子によっても引き起こされる可能性があります。^{[54] [55]}このため、高校の化学の学生へのデモンストレーションとして、または「化学の魔法」の行為として、少量の三ヨウ化窒素が合成されることがあります。^[56] 塩素アジド（ClN ₃）および臭素アジド（BrN ₃）は、非常に敏感で爆発性があります。^{[57] [58]}

ハロゲン化ニトロシル（XNO）とハロゲン化ニチル（XNO ₂）の2つの一連の窒素オキソハライドが知られています。1つ目は、亜酸化窒素を直接ハロゲン化することで生成できる非常に反応性の高いガスです。フッ化ニトロシル（NOF）は無色で、強力なフッ素化剤です。塩化ニトロシル（NOCl）はほとんど同じように動作し、イオン化溶媒としてよく使用されています。臭化ニトロシル（NOBr）は赤色です。ハロゲン化ニチルの反応はほとんど同じです。フッ化ニトロイル（FNO ₂）と塩化ニトロシル（ClNO ₂）も同様に反応性ガスであり、強力なハロゲン化剤です。^[54]

酸化物

窒素は9つの分子酸化物を形成し、そのうちのいくつかは最初に同定されたガスでした：N ₂ O（亜酸化窒素）、NO（一酸化窒素）、N ₂ O ₃（三酸化二窒素）、NO ₂（二酸化窒素）、N ₂ O ₄（四酸化二窒素）、N ₂ O ₅（五酸化二窒素）、N ₄ O（ニトロシルアジド）、^[59]およびN（NO ₂）₃（トリニトラミド）。^[60]すべてがそれらの元素への分解に対して熱的に不安定です。まだ合成されていない可能性のあるもう1つの酸化物は、芳香環であるオキサテトラゾール（N ₄ O）です。^[59]

笑気ガスとしてよく知られている亜酸化窒素（N ₂ O）は、 250°Cで溶融硝酸アンモニウムを熱分解することによって作られます。これはレドックス反応であるため、一酸化窒素と窒素も副産物として生成されます。これは主に、スプレーされた缶詰のホイップクリームの噴射剤および通気剤として使用され、以前は麻酔薬として一般的に使用されていました。外観にもかかわらず、次亜硝酸（H ₂ N ₂ O _{2 ）の}無水物とは見なされません。これは、その酸が亜酸化窒素の水への溶解によって生成されないためです。それはかなり非反応性です（ハロゲン、アルカリ金属、またはオゾンと反応しません）室温では、反応性は加熱すると増加しますが）非対称構造N–N–O（N≡N ^{+ O} −↔− N ⁼ N ⁺ = O）：600°Cを超えると、弱いN–Oを破壊して解離しますつなぐ。^[59]

一酸化窒素（NO）は、電子の数が奇数の最も単純で安定した分子です。人間を含む哺乳類では、それは多くの生理学的および病理学的プロセスに関与する重要な細胞シグナル伝達分子です。^[61]それはアンモニアの接触酸化によって形成されます。これは無色の常磁性ガスであり、熱力学的に不安定であり、1100〜1200°Cで窒素ガスと酸素ガスに分解します。その結合は窒素の場合と似ていますが、π *反結合性軌道に1つの余分な電子が追加されるため、結合次数は約2.5に減少します。したがって、O = N–N = Oへの二量化は、沸点（シスが異性体はより安定しています）。これは、実際には総結合次数が増加しないため、および不対電子がNO分子全体で非局在化され、安定性が付与されるためです。一酸化窒素が極性分子と凝縮している場合、非対称の赤い二量体O = N–O = Nの証拠もあります。酸素と反応して茶色の二酸化窒素を生成し、ハロゲンと反応してハロゲン化ニトロシルを生成します。また、遷移金属化合物と反応してニトロシル錯体を生成し、そのほとんどが濃い色になります。^[59]

青色の三酸化二窒素（N ₂ O ₃）は、融点を超えると急速に解離して一酸化窒素、二酸化窒素（NO ₂）、および四酸化二窒素（N ₂ O ₄）を生成するため、固体としてのみ入手できます。後者の2つの化合物は、それらの間の平衡のために個別に研究するのがやや困難ですが、誘電率の高い媒体中で四酸化二窒素がヘテロリシス分裂によってニトロソニウムと硝酸塩に反応することがあります。二酸化窒素は、刺激性の腐食性の茶色のガスです。両方の化合物は、乾燥金属硝酸塩を分解することによって容易に調製することができます。両方とも水と反応して硝酸を形成します。四酸化二窒素は、無水金属硝酸塩およびニトラト錯体の調製に非常に有用であり、1950年代後半までに、米国とソ連の両方で多くのロケットに使用される貯蔵可能な酸化剤になりました。これは、ヒドラジンベースのロケット燃料と組み合わせたハイパーゴリック推進剤であり、室温で液体であるため、簡単に保管できるためです。^[59]

熱的に不安定で非常に反応性の高い五酸化二窒素（N ₂ O ₅）は硝酸の無水物であり、五酸化リンで脱水することにより製造できます。それは爆発物の準備のために興味深いです。^[62]それは、光に敏感な潮解性の無色の結晶性固体です。固体状態では、それは構造[NO ₂ ] ⁺ [NO ₃ ] ⁻でイオン性です。気体として、また溶液中では、分子O ₂ N–O–NO2_です。過酸化水素との類似の反応と同様に、硝酸への水和は容易に起こりますペルオキソ硝酸（HOONO ₂ ）を与える。激しい酸化剤です。ガス状の五酸化二窒素は次のように分解します。^[59]

N2O5⇌NO2 + _NO3 → NO2 ₊ O ₂ + NO _{_ _ _}

N ₂ O _{5 +} NO⇌3NO2

オキソ酸、オキソアニオン、およびオキソ酸塩

多くの窒素オキソ酸が知られていますが、それらのほとんどは純粋な化合物として不安定であり、水溶液または塩としてのみ知られています。次亜硝酸（H ₂ N ₂ O _{2 ）は、HON = NOH（p} K _a1 6.9、p K _a2 11.6）の構造を持つ弱い二塩基酸です。酸性溶液は非常に安定していますが、pH 4を超えると、[HONNO] ^-を介して亜酸化窒素と水酸化物アニオンに塩基触媒分解が起こります。Hyponitrites（Nを含む
₂O²⁻
₂陰イオン）は還元剤に対して安定しており、より一般的には還元剤自体として機能します。それらは、窒素循環で発生する、アンモニアから亜硝酸塩への酸化の中間段階です。ハイポナイトライトは、二座配位子の架橋またはキレート化として機能します。^[63]

亜硝酸（HNO ₂）は純粋な化合物としては知られていませんが、ガス平衡の一般的な成分であり、重要な水性試薬です。その水溶液は、酸性化した冷たい亜硝酸塩水溶液（NO⁻
₂、曲がった）溶液、ただしすでに室温では硝酸塩と一酸化窒素への不均化が重要です。18°CでpKa3.35の_弱酸です。それらは、過マンガン酸塩による硝酸塩への酸化によって滴定分析することができます。それらは、二酸化硫黄によって亜酸化窒素と一酸化窒素に、スズ（II）によって次亜硝酸に、そして硫化水素によってアンモニアに容易に還元されます。ヒドラジニウムNの塩
₂H⁺
₅亜硝酸と反応してアジドを生成し、さらに反応して亜酸化窒素と窒素を生成します。亜硝酸ナトリウムは、100 mg / kgを超える濃度では軽度の毒性がありますが、肉を硬化させるため、および細菌による腐敗を防ぐための防腐剤として、少量がよく使用されます。また、次のようにヒドロキシルアミンを合成し、第一級芳香族アミンをジアゾ化するためにも使用されます。^[63]

ArNH ₂ + HNO2→[ArNN] Cl + 2 _{H 2} O

亜硝酸塩は、5つの方法で調整できる一般的なリガンドでもあります。最も一般的なのは、ニトロ（窒素から結合）とニトリト（酸素から結合）です。ニトロ-亜硝酸塩異性化が一般的であり、通常、亜硝酸塩の形態は安定性が低くなります。^[63]

硝酸（HNO ₃）は、窒素オキソ酸の中で群を抜いて最も重要で最も安定しています。これは、最も使用されている3つの酸（他の2つは硫酸と塩酸）の1つであり、13世紀に錬金術師によって最初に発見されました。これは、アンモニアを一酸化窒素に接触酸化し、それを二酸化窒素に酸化した後、水に溶解して濃硝酸を生成することによって作られます。アメリカ合衆国では、毎年700万トン以上の硝酸が生産されており、そのほとんどは肥料や爆発物などの硝酸塩の生産に使用されています。無水硝酸は、濃硝酸を五酸化リンとともに、暗所のガラス装置内で低圧で蒸留することによって製造することができる。溶融すると自然に二酸化窒素に分解し、液体硝酸は他のどの共有結合液体よりも多く自己イオン化するため、固体状態でのみ作成できます。 ^[63]

2HNO3⇌H _{_} _ _
₂いいえ⁺
₃+いいえ⁻
₃⇌H2O + [NO ₂ ] ⁺ ₊ [NO ₃ ] ⁻

結晶化できる_2つの水和物、HNO ₃・H2OとHNO3_・3H2Oが知られています。それは強酸であり、濃縮溶液は強力な酸化剤ですが、金、白金、ロジウム、およびイリジウムは攻撃の影響を受けません。王水と呼ばれる濃塩酸と硝酸の3：1混合物は、遊離塩素と塩化ニトロシルが形成され、塩化物アニオンが強力な複合体を形成する可能性があるため、さらに強力で、金と白金をうまく溶解します。濃硫酸では、硝酸がプロトン化されてニトロニウムを形成します、芳香族ニトロ化の求電子試薬として機能することができます：^[63]

HNO ₃ + ₂ H2SO4⇌NO _{_} _ _⁺
₂+ H ₃ O ⁺ + 2 HSO⁻
₄

硝酸塩の熱安定性（三角形平面NOを含む）⁻
₃陰イオン）は金属の塩基性に依存し、分解（熱分解）の生成物も異なります。これは、亜硝酸塩（ナトリウムなど）、酸化物（カリウムと鉛）、さらには金属自体（銀）の間で変化する可能性があります。それらの相対的な安定性に応じて。硝酸塩は、多くの配位モードを持つ一般的な配位子でもあります。^[63]

最後に、オルトリン酸に類似するオルト硝酸（H ₃ NO ₄ ）は存在しませんが、四面体オルト硝酸アニオンNO³⁻
₄そのナトリウム塩とカリウム塩で知られています：^[63]

${\ displaystyle {\ ce {NaNO3 {} + Na2O-> [{\ ce {Ag〜crucible}}] [{\ ce {300 ^ {\ circ} C〜for〜7days}}] Na3NO4}}}$

これらの白色の結晶性塩は、空気中の水蒸気と二酸化炭素に非常に敏感です。^[63]

Na ₃ NO ₄ + H ₂ O + CO2 _→ NaNO3 ₊ NaOH + NaHCO ₃

その限られた化学的性質にもかかわらず、オルト硝酸塩アニオンは、その規則的な四面体形状と短いN–O結合長のために構造的な観点から興味深いものであり、結合に重要な極性特性を意味します。^[63]

有機窒素化合物

窒素は、有機化学において最も重要な元素の1つです。多くの有機官能基には、アミド（RCONR ₂）、アミン（R ₃ N）、イミン（RC（= NR）R）、イミド（RCO）₂ NR、アジド（RN ₃）、アゾなどの炭素-窒素結合が含まれます。化合物（RN ₂ R）、シアン酸塩およびイソシアナート（ROCNまたはRCNO）、硝酸塩（RONO ₂）、ニトリルおよびイソニトリル（RCNまたはRNC）、亜硝酸塩（RONO）、ニトロ化合物（RNO ₂）、ニトロソ化合物（RNO）、オキシム（RCR = NOH）、およびピリジン誘導体。C–N結合は、窒素に向かって強く分極しています。これらの化合物では、窒素は通常3価であり（第4級アンモニウム塩では4価になる可能性がありますが、R ₄ N ⁺）、プロトンに配位することで化合物に塩基性を与えることができる孤立電子対があります。これは他の要因によって相殺される可能性があります。たとえば、孤立電子対が二重結合に非局在化されているため、アミドは塩基性ではありません（ただし、非常に低いpHで酸として作用し、酸素でプロトン化される可能性があります）。孤立電子対は芳香環の一部として非局在化されているため、ピロールは酸性ではありません。^[64]化学物質中の窒素の量は、ケルダール法によって決定することができます。^[65]特に、窒素は、核酸、アミノ酸、したがってタンパク質、およびエネルギーを運ぶ分子であるアデノシン三リン酸の必須成分であり、したがって地球上のすべての生命にとって不可欠です。^[64]

発生

窒素は地球で最も一般的な純粋な元素であり、大気の体積の78.1％を占めています。^[6]それにもかかわらず、それは地球の地殻に あまり豊富ではなく、ニオブ、ガリウム、およびリチウムと同等に、これのわずか19ppmを構成します。唯一の重要な窒素鉱物は、硝石（硝酸カリウム、 saltpetre）とソーダ硝石（硝酸ナトリウム、チリのsaltpetre）です。しかし、これらは、アンモニアと硝酸の工業的合成が一般的になった1920年代以降、重要な硝酸塩源ではありませんでした。^[66]

窒素化合物は、大気と生物の間で絶えず交換されます。窒素は、最初に植物が使用できる形、通常はアンモニアに処理または「固定」する必要があります。一部の窒素固定は、窒素酸化物を生成する稲妻の攻撃によって行われますが、ほとんどは、ニトロゲナーゼとして知られる酵素を介して窒素固定菌によって行われます（今日、アンモニアへの工業用窒素固定も重要です）。アンモニアが植物に取り込まれると、タンパク質の合成に使用されます。次に、これらの植物は、窒素化合物を使用してタンパク質を合成し、窒素含有廃棄物を排出する動物によって消化されます。最後に、これらの生物は死んで分解し、細菌や環境の酸化と脱窒を受けます、遊離二窒素を大気に戻す。ハーバープロセスによる工業用窒素固定は主に肥料として使用されますが、過剰な窒素含有廃棄物が浸出すると、淡水の富栄養化と海洋の不感帯の作成につながります。高等生物は死にます。さらに、脱窒中に生成される亜酸化窒素は、大気中のオゾン層を攻撃します。^[66]

多くの海水魚は、環境の高い浸透圧効果から魚を保護するために、大量のトリメチルアミンオキシドを製造しています。この化合物のジメチルアミンへの変換は、新鮮でない海水魚の初期の臭いの原因です。^[67]動物では、フリーラジカル一酸化窒素（アミノ酸に由来する）が循環の重要な調節分子として機能します。^[68]

動物における一酸化窒素の水との急速な反応は、その代謝物である亜硝酸塩の生成をもたらします。一般に、タンパク質中の窒素の動物代謝は尿素の排泄をもたらし、核酸の動物代謝は尿素と尿酸の排泄をもたらします。動物の肉の腐敗の特徴的な臭いは、アミノ酸のオルニチンとリジンの分解産物であるプトレシンやカダベリンなどの長鎖の窒素含有アミンの生成によって引き起こされますそれぞれ、崩壊するタンパク質において。^[69]

製造

窒素ガスは、液体空気の分別蒸留、または気体空気を使用した機械的手段（加圧逆浸透膜または圧力スイング吸着）によって生成される工業用ガスです。膜または圧力スイング吸着（PSA）を使用する窒素ガス発生器は、通常、バルク供給窒素よりもコストとエネルギー効率が高くなります。^[70]商業用窒素は、製鋼やその他の目的で工業用酸素を濃縮するための空気処理の副産物であることがよくあります。シリンダーで圧縮されて供給される場合、それはしばしばOFN（無酸素窒素）と呼ばれます。^[71]商用グレードの窒素にはすでに最大20ppmの酸素が含まれており、最大2ppmの酸素と10ppmのアルゴンを含む特別に精製されたグレードも利用できます。^[72]

化学実験室では、塩化アンモニウムの水溶液を亜硝酸ナトリウムで処理することによって調製されます。^[73]

NH ₄ Cl + NaNO2 →N2 ₊ NaCl + 2 _{H 2} O

この反応では、少量の不純物NOおよびHNO3_も生成されます。二クロム酸カリウムを含む硫酸水溶液にガスを通すことにより、不純物を取り除くことができます。^[73]非常に純粋な窒素は、アジ化バリウムまたはアジ化ナトリウムの熱分解によって調製できます。^[74]

2 NaN3 →2Na + 3 _{N 2}

アプリケーション

ガス

このクラスのサイズが非常に大きいため、窒素化合物の用途は当然非常に大きく異なります。したがって、ここでは純粋な窒素自体の用途のみを検討します。産業で生産された窒素の3分の2（2/3）は気体として販売され、残りの3分の1（1/3）は液体として販売されています。

ガスは主に、空気中の酸素が火災、爆発、または酸化の危険をもたらす場合は常に不活性雰囲気として使用されます。いくつかの例が含まれます：^[72]

• 調整された雰囲気として、純粋または二酸化炭素と混合して、パッケージ化された食品またはバルク食品の鮮度を窒素化し、維持します（酸敗および他の形態の酸化的損傷を遅らせることによって）。食品添加物としての純粋な窒素は、欧州連合でE番号E941でラベル付けされています。^[75]
• アルゴンの安価な代替品としての白熱電球。^[76]
• 情報技術（IT）機器の消火システム。^[72]
• ステンレス鋼の製造において。^[77]
• 窒化による鋼の肌焼きの場合。^[78]
• 一部の航空機燃料システムでは、火災の危険を減らすために（不活性化システムを参照）。
• レースカーや航空機のタイヤを膨らませるために^[79]、自然の空気中の湿気や酸素によって引き起こされる一貫性のない膨張と収縮の問題を減らします。^[72]

窒素は、化学分析のサンプル準備中に一般的に使用されます。液体サンプルの濃縮と量の削減に使用されます。窒素ガスの加圧流を液体の表面に垂直に向けると、溶質と蒸発していない溶媒を残したまま、溶媒が蒸発します。^[80]

窒素は、二酸化炭素の代わりに、または二酸化炭素と組み合わせて使用​​して、一部のビール、特にスタウトやブリティッシュエールの樽を加圧することができます。^[81]一般に「ウィジェット」として知られている感圧窒素カプセルにより、窒素を充填したビールを缶やボトルに詰めることができます。^{[82] [83]}ペイントボールガンの主な動力源として、窒素タンクも二酸化炭素に取って代わりつつある。_窒素はCO2よりも高い圧力に保たれなければならず、N2_タンクはより重く高価になります。^[84]

装置

一部の建設機械は、加圧窒素ガスを使用して、油圧システムが油圧ハンマーなどのデバイスに追加の電力を供給するのを支援します。アジ化ナトリウムの分解により生成される窒素ガスは、エアバッグの膨張に使用されます。^[85]

安楽死

窒素ガスは不活性ガス窒息に最適な不活性ガスになり、オクラホマでの薬殺刑の代替として検討されています。^{[86] [87]}

窒素は窒息性ガスであるため、一部の法域では、死刑の手段として（致命的な注射の代わりに）純粋な窒素を吸入することによる不活性ガス窒息を検討しています。^[88]しかしながら、2020年の時点で、どの法域でも窒素ガスを使用した死刑執行はまだ行われておらず、死刑執行プロトコルとして窒素窒息を考慮していた少なくとも1つの法域（オクラホマ）はその努力を放棄した。^[89][update]

液体

液体窒素は、水のように見える極低温の液体です。デュワーフラスコなどの適切な容器で断熱すると、蒸発損失率を低く抑えて輸送および保管できます。^[90]

ドライアイスと同様に、液体窒素の主な用途は低温への冷却です。血液や生殖細胞（精子や卵子）などの生体物質の凍結保存に使用されます。凍結療法で使用され、皮膚の嚢胞や疣贅を凍結して取り除きます。^[91]これは、実験室のコールドトラップ、および真空ポンプシステムでより低い圧力を得るためのクライオポンプで使用されます。赤外線検出器やX線検出器などの熱に弱い電子機器を冷却するために使用されます。他の用途には、室温で軟質またはゴム状の材料の凍結粉砕および機械加工、焼きばめおよびエンジニアリングコンポーネントの組み立て、より一般的には必要に応じて非常に低い温度を達成することが含まれます。液体窒素は低コストであるため、食品の冷蔵、焼印の家畜の冷凍、バルブがない場合に流れを止めるためのパイプの凍結、不安定な土壌の固化など、厳密に必要ではない場合でも冷却に使用されることがよくあります。下で掘削が行われているときはいつでも凍結します。^[72]

安全性

ガス

窒素は無毒ですが、密閉された空間に放出されると、酸素を置換する可能性があるため、窒息の危険があります。人間の頸動脈小体は比較的貧弱で遅い低酸素（低酸素）感知システムであるため、これはほとんど警告症状なしで発生する可能性があります。^[92]例は、1981年3月19日の最初のスペースシャトルミッションの開始直前に、 2人の技術者がスペースシャトルの移動式発射プラットフォームにあるスペースに足を踏み入れた後、窒息死したときに発生しました。火災に対する予防措置。^[93]

高い分圧（約4バール以上、スキューバダイビングで約30 m未満の深さで遭遇）で吸入すると、窒素は麻酔薬であり、亜酸化窒素中毒と同様の一時的な精神障害状態である窒素中毒を引き起こします。^{[94] [95]}

窒素は血液や体脂肪に溶けます。急速減圧（ダイバーの上昇が速すぎる場合や、宇宙服の圧力から宇宙服の圧力への減圧が速すぎる場合など）は、血流に窒素の泡が形成されると、減圧症（以前はケイソン病またはベンドと呼ばれていました）と呼ばれる致命的な状態につながる可能性があります。神経、関節、およびその他の敏感なまたは重要な領域。^{[96] [97]}他の「不活性」ガス（二酸化炭素と酸素以外のガス）からの気泡も同じ効果を引き起こすため、呼吸ガス中の窒素を置換すると、窒素中毒を防ぐことができますが、減圧症を防ぐことはできません。^[98]

液体

極低温液体として、液体窒素は接触時に冷熱を引き起こすことによって危険な場合がありますが、ライデンフロスト効果は非常に短い曝露（約1秒）を保護します。^[99]液体窒素の摂取は、深刻な内部損傷を引き起こす可能性があります。たとえば、2012年、イギリスの若い女性は、液体窒素で作られたカクテルを摂取した後、胃を取り除く必要がありました。^[100]

窒素の液体対気体の膨張比は20°Cで1：694であるため、密閉された空間で液体窒素が急速に蒸発すると、非常に大きな力が発生する可能性があります。2006年1月12日のテキサスA＆M大学での事件では、液体窒素のタンクの圧力逃がし装置が誤動作し、後で密閉されました。その後の圧力上昇の結果、タンクは壊滅的に故障しました。爆発の力は、タンクをそのすぐ上の天井から推進し、そのすぐ下の鉄筋コンクリートの梁を粉砕し、実験室の壁を基礎から0.1〜0.2m吹き飛ばすのに十分でした。^[101]

液体窒素は容易に蒸発して気体窒素を形成するため、気体窒素に関連する注意事項は液体窒素にも適用されます。^{[102] [103] [104]}たとえば、酸素センサーは、液体窒素を使用して作業者にガスが限られたスペースにこぼれることを警告する際の安全対策として使用されることがあります。^[105]

液体窒素を含む容器は、空気から酸素を凝縮する可能性があります。このような容器内の液体は、窒素が蒸発するにつれて酸素がますます濃縮され（沸点-183°C、窒素よりも高くなります）、有機物の激しい酸化を引き起こす可能性があります。^[106]

酸素欠乏モニター

酸素欠乏モニターは、限られたスペースや窒素ガスまたは液体が保管または使用されている場所の酸素レベルを測定するために使用されます。窒素漏れが発生し、酸素が事前に設定されたアラームレベルまで低下した場合、酸素欠乏モニターをプログラムして、可聴アラームと視覚アラームを鳴らし、差し迫った危険の可能性を通知することができます。最も一般的には、担当者に警告する酸素範囲は、酸素レベルが19.5％を下回ったときです。OSHAは、危険な雰囲気には、酸素濃度が19.5％未満または23.5％を超える雰囲気が含まれる可能性があると指定しています。^[107] 酸素欠乏モニターは、固定するか、壁に取り付けて建物の電源に配線するか、単に電源コンセントに接続するか、携帯型のハンドヘルドまたはウェアラブルモニターにすることができます。

も参照してください

• 活性窒素種
• 土壌ガス

参考文献

参考文献

• グリーンウッド、ノーマンN。; アーンショー、アラン（1997）。元素の化学（第2版）。バターワース・ハイネマン。ISBN 978-0-08-037941-8。

外部リンク

• 窒素の語源
• ビデオの定期的な表での窒素（ノッティンガム大学）
• Royal Society ofChemistryのChemistryWorldからの窒素ポッドキャスト