窒素とは何ですか?
窒素(記号N)は周期表の元素7で、2周期、15族の非金属です。 今あなたが呼吸している空気の78%を占め、化学で最も強い結合の一つによって結びついています。 室温では気体です。
構造
リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質について窒素が118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。
大きさ、実寸比
半径65 pmです。これは0.065 nmなので、約7.69百万個を横に並べると1ミリメートルになります。
熱範囲
窒素は、63 Kから77 Kまでの14 Kの範囲で液体です。
物語
窒素は地球の大気中で最も存在度が高い元素で、私たちが呼吸する空気の約78%を占めています。この無色、無臭で、一般に不活性な気体は、アミノ酸、タンパク質、DNAやRNAなどの核酸の骨格を形成し、すべての生物に不可欠です。
豊富に存在するにもかかわらず、分子状の窒素(N₂)は、2個の窒素原子の間にある非常に強い三重結合のため、驚くほど反応しにくい性質を持ちます。この化学的不活性さにより、窒素は工業プロセスで不活性雰囲気として役立ちますが、多くの生物が大気中の窒素を生物学的プロセスに直接利用できない理由にもなっています。
豆知識:窒素循環は地球上で最も重要な生物地球化学的循環の一つで、生物的、化学的、物理的な過程を通じて、窒素がさまざまな化学形態の間で変換されます。窒素化合物は農業に不可欠であり、窒素肥料は現代の食料生産に重要な役割を果たしています。しかし、窒素は危険な化合物を形成することもあります。窒素酸化物は大気汚染や酸性雨の原因となり、窒素を含む爆発物は軍事史にも大きな影響を与えてきました。
産業では、液体窒素(-196°C)が超低温の冷媒として利用され、食品保存から医療処置まで幅広く使われています。生命に不可欠である一方、特定の形態では危険にもなり得るという二面性により、窒素は周期表の中でも特に興味深い元素の一つです。
用途
窒素の最大の工業用途はハーバー・ボッシュ法です。この方法では、大気中の窒素をアンモニア(NH₃)に変換します。20世紀初頭に開発されたこの画期的な方法では、鉄触媒を用い、高圧(150-200 atm)・高温(400-500°C)下で窒素と水素を反応させます。
N₂ + 3H₂ → 2NH₃
この方法により、年間1億5000万トンを超えるアンモニアが生産され、その約80%が次のような窒素肥料の製造に使われています。
窒素は、多くの工業用化学品を生産するための重要な原料です。
-196°C(-321°F)の液体窒素は、次のような超低温冷却に利用されます。
窒素は、次の工程で酸化を防ぐための不活性雰囲気を形成します。
高純度窒素は、次の用途に不可欠です。
起源
地殻に19 mg/kg存在し、71%の元素より存在度が高い
窒素は地球の大気の大部分を占めており、体積比で空気の約78.08%を構成しています。この巨大な貯蔵庫には、推定3.9 × 10¹⁵トンの窒素ガス(N₂)が含まれており、地球上の生命が利用できる未結合元素として最も豊富です。
大気中の窒素は主に二原子分子(N₂)として存在し、非常に強い三重結合(941 kJ/mol)で結ばれています。そのため、通常の条件では化学的に最も不活性な物質の一つです。この安定性により、大気中の窒素は数十億年にわたって蓄積してきました。
窒素は、主に次の2つの過程により、質量の大きな恒星の中心部で恒星内元素合成によって形成されます。
宇宙において、窒素は存在度が7番目に高い元素であり、宇宙における存在度は水素原子1000個あたり約1個と推定されています。
地球の地殻中では窒素は比較的まれで、質量比で約0.002%しか含まれていません。天然の窒素含有鉱物には次のものがあります。
窒素循環は、地球上で最も重要な生物地球化学的過程の一つです。
特定の細菌が大気中のN₂を生物が利用できる形態に変換します。
土壌細菌は、さまざまな酸化数の間で窒素を継続的に変換します。
海洋や淡水の系には、相当量の溶存窒素が含まれています。
人間活動は地球規模の窒素循環を大きく変化させています。
取り扱い
窒素ガスの毒性:窒素自体には毒性がありませんが、深刻な窒息の危険があります。
極低温安全対策:
OSHAの規則と職場での限界:
安全な取り扱い手順:
直ちに行う対応手順:
環境への影響と規則:
簡単な回答
窒素(記号N)は周期表の元素7で、2周期、15族の非金属です。 今あなたが呼吸している空気の78%を占め、化学で最も強い結合の一つによって結びついています。 室温では気体です。
[He] 2s² 2p³で、2, 5という分布の電子殻が2個あります。 最外殻には5個の電子があり、これによって結合の性質が決まります。窒素の融点は63.2 K(-210 °C)、沸点は77.4 K(-195.8 °C)です。
窒素の標準原子量は14.007 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。
窒素は室温で気体です。密度は0 °C、1 atmで約1.25 g/Lで、空気よりおおむね軽いです。
窒素のポーリング電気陰性度は3.04です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 このように高い値は、結合するほとんどすべてのものから電子を引き寄せる傾向があることを意味します。
窒素は1772年にDaniel Rutherfordによって発見されました。 ギリシャ語の nitron + genes、「硝石を生じるもの」にちなんで名付けられました。
地球の地殻における窒素の割合は約19 mg/kgで、珍しいものの希少ではありません。