氮元素

引入

为什么空气中大部分都是氮气，但植物不能直接把空气中的氮气拿来用？

为什么生物对氮元素有很大需求？

雷电为什么可以参与自然固氮？

氮气看起来很稳定，为什么又能制成氨、硝酸和化肥？

原始想法：地球早期可能有长期雷暴天气，强电压能让氮气参与反应。这个判断方向可以保留，但“长达几十万年”和具体历史背景需要再查证。

氮元素是连接空气、土壤和生命体的重要元素。空气中的氮气很多，但 $\mathrm{N}{}_2$ 分子中有很强的氮氮三键，普通条件下不容易反应，所以氮元素丰富和氮元素容易被生物利用不是一回事。

正文

定义

氮元素是一种非金属元素，元素符号为 $\mathrm{N}$，常见单质为氮气 $\mathrm{N}{}_2$。它是蛋白质、核酸和许多含氮化合物的重要组成元素。

物质名称	性质	类别	气味	颜色	物态	分子质量	密度（$0{}^{\circ }\mathrm{C}$,101 kPa）	熔点	沸点	氧化态
氮气 $\mathrm{N}{}_2$	稳定、难溶于水、不能供呼吸	非金属单质	无味	无色	气体	28	1.25 g/L	$-210{}^{\circ }\mathrm{C}$	$-195.8{}^{\circ }\mathrm{C}$	-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5

氮气不是没有用，而是反应门槛高。它在常温常压下很稳定，可以作为保护气；但在高温、高压、放电或催化剂条件下，又能转化为氨、氮氧化物、硝酸盐等物质。

固氮

固氮就是把游离态的氮气 $\mathrm{N}{}_2$ 转化成生物或工业能够利用的含氮化合物。它解决的问题是：空气中氮气很多，但生物主要需要的是铵态氮、硝态氮或有机含氮物质。

固氮方式	条件或来源	主要过程	意义
自然固氮	雷电、高温放电	$\mathrm{N}{}_2+\mathrm{O}{}_2\stackrel{放电}{\to }2\mathrm{NO}$，再逐步形成硝酸盐	把空气中的氮带入土壤
生物固氮	根瘤菌等微生物	将 $\mathrm{N}{}_2$ 转化为氨或铵态氮	是生态系统氮来源的重要部分
工业固氮	高温、高压、催化剂	$\mathrm{N}{}_2+3\mathrm{H}{}_2\underset{高温、高压}{\overset{催化剂}{\rightleftharpoons }}2\mathrm{NH}{}_3$	制取氨，进一步生产化肥、硝酸等

雷电固氮可以理解为：强放电提供能量，使稳定的 $\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$ 断裂，氮气和氧气生成 $\mathrm{NO}$。这个过程不是因为氮气容易反应，而是因为外界能量足够高。

常见含氮物质

名称	性质（化学）	类别	气味	颜色	物态	熔点	沸点
氨气 $\mathrm{NH}{}_3$	碱性、还原性、易溶于水	氢化物	刺激性气味	无色	气体	$-77.7{}^{\circ }\mathrm{C}$	$-33.3{}^{\circ }\mathrm{C}$
一氧化氮 $\mathrm{NO}$	还原性，易被氧化	氮氧化物	无明显气味	无色	气体	$-163.6{}^{\circ }\mathrm{C}$	$-151.7{}^{\circ }\mathrm{C}$
二氧化氮 $\mathrm{NO}{}_2$	氧化性，能与水反应	氮氧化物	刺激性气味	红棕色	气体	$-11.2{}^{\circ }\mathrm{C}$	$21.2{}^{\circ }\mathrm{C}$
硝酸 $\mathrm{HNO}{}_3$	强酸性、强氧化性、不稳定	含氧酸	刺激性气味	无色或淡黄色	液体	$-42{}^{\circ }\mathrm{C}$	$83{}^{\circ }\mathrm{C}$

这些物质可以按氧化态来串起来看：$\mathrm{NH}{}_3$ 中氮为 $-3$ 价，$\mathrm{N}{}_2$ 中氮为 $0$ 价，$\mathrm{NO}$ 中氮为 $+2$ 价，$\mathrm{NO}{}_2$ 中氮为 $+4$ 价，$\mathrm{HNO}{}_3$ 中氮为 $+5$ 价。

氧化态变化是理解氮元素反应的主线。氮元素既可以被氧化，也可以被还原，所以含氮物质经常出现在氧化还原反应中。

制取含氮物质

名称	方法	反应式	现象	应用
氨气 $\mathrm{NH}{}_3$	实验室用铵盐和强碱加热	$2\mathrm{NH}{}_4\mathrm{Cl}+\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{CaCl}{}_2+2\mathrm{NH}{}_3\uparrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	产生有刺激性气味的气体	制取氨气，检验铵根离子
氨气 $\mathrm{NH}{}_3$	工业合成氨	$\mathrm{N}{}_2+3\mathrm{H}{}_2\underset{高温、高压}{\overset{催化剂}{\rightleftharpoons }}2\mathrm{NH}{}_3$	反应需要催化剂和高压条件	制取化肥、硝酸、含氮化工原料
一氧化氮 $\mathrm{NO}$	高温或放电条件下氮气与氧气反应	$\mathrm{N}{}_2+\mathrm{O}{}_2\stackrel{放电}{\to }2\mathrm{NO}$	空气中不易直接观察	自然固氮、制硝酸的前置步骤
硝酸 $\mathrm{HNO}{}_3$	工业上由氨氧化制取	$4\mathrm{NH}{}_3+5\mathrm{O}{}_2\underset{高温}{\overset{催化剂}{\to }}4\mathrm{NO}+6\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	逐步生成氮氧化物	制化肥、炸药、染料等

物理性质

氮气本身无色、无味，难溶于水。它不支持呼吸，也不支持一般燃烧，所以常用来作保护气或填充气。

这里容易产生一个误解：氮气占空气体积分数约 $78\%$，所以人每天都在吸入氮气，但它基本只是被吸入又呼出，并不承担氧气那样的供氧功能。

化学性质

氮气的稳定性来自氮氮三键。要让氮气反应，通常需要高温、放电、催化剂或特定生物酶系统。

反应类型	反应式	现象或说明
氧化还原反应	$\mathrm{N}{}_2+3\mathrm{H}{}_2\underset{高温、高压}{\overset{催化剂}{\rightleftharpoons }}2\mathrm{NH}{}_3$	工业合成氨，反应可逆
氧化还原反应	$\mathrm{N}{}_2+\mathrm{O}{}_2\stackrel{放电}{\to }2\mathrm{NO}$	雷电或高温条件下发生
氧化还原反应	$2\mathrm{NO}+\mathrm{O}{}_2=2\mathrm{NO}{}_2$	无色气体遇氧变成红棕色气体
复合反应	$3\mathrm{NO}{}_2+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}=2\mathrm{HNO}{}_3+\mathrm{NO}$	二氧化氮溶于水，生成硝酸和一氧化氮
复分解反应	$\mathrm{NH}{}_3+\mathrm{HCl}=\mathrm{NH}{}_4\mathrm{Cl}$	产生白烟，可用于检验氨气

硝酸的强氧化性

硝酸和普通酸不同，它不仅能提供 $\mathrm{H}{}^{+}$，还因为 $+5$ 价氮容易被还原，所以表现出强氧化性。金属和硝酸反应时，一般不生成氢气，而是生成氮氧化物。

反应物	反应式	现象
铜和浓硝酸	$\mathrm{Cu}+4\mathrm{HNO}{}_3(浓)=\mathrm{Cu}(\mathrm{NO}{}_3){}_2+2\mathrm{NO}{}_2\uparrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	产生红棕色气体，溶液变蓝
铜和稀硝酸	$3\mathrm{Cu}+8\mathrm{HNO}{}_3(稀)=3\mathrm{Cu}(\mathrm{NO}{}_3){}_2+2\mathrm{NO}\uparrow +4\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	产生无色气体，遇空气变红棕色，溶液变蓝

这个例子可以用来区分“酸性”和“氧化性”：硝酸和金属反应时，真正决定产物的往往不是 $\mathrm{H}{}^{+}$，而是硝酸根中高价态的氮。

氮循环

氮循环可以看成氮元素在空气、土壤、水体和生物之间的转换过程。

环节	变化	作用
固氮	$\mathrm{N}{}_2$ 转化为氨、铵盐或硝酸盐	把空气中的氮引入生态系统
硝化	铵态氮逐步转化为硝态氮	让植物更容易吸收一部分氮源
同化	植物吸收含氮离子并合成有机物	形成蛋白质、核酸等生命物质
分解	动植物遗体和排泄物被微生物分解	含氮有机物回到土壤
反硝化	硝酸盐被还原为 $\mathrm{N}{}_2$ 等	氮重新回到大气

所以“空气中氮很多”和“土壤中可利用氮充足”不是同一个问题。农业上需要施氮肥，根本原因就是生物可利用形态的氮会被消耗、流失或转化。

应用和风险

氮元素的应用主要集中在两条线上：一条是利用氮气的稳定性，另一条是利用含氮化合物的反应活性。

应用	利用的性质	例子
保护气	氮气稳定，不容易反应	食品包装、金属加工保护气
化肥生产	氨和硝酸盐能提供植物所需氮	氨水、尿素、硝酸铵等
化工原料	氨、硝酸等能继续转化	制硝酸、染料、炸药、药物中间体
环境问题	氮氧化物会污染空气	光化学烟雾、酸雨等

需要注意的是，氮气本身较稳定，但某些含氮化合物并不温和。比如 $\mathrm{NO}{}_2$ 有毒且有刺激性，硝酸有强腐蚀性和强氧化性，硝酸铵等含氮物质在特定条件下还可能有爆炸风险。

引出

为什么磷元素和氮元素都能进入生命物质，但它们在自然循环中的表现不同？

如何区分铵态氮、硝态氮和有机氮？

氮氧化物为什么会造成空气污染和酸雨？