7 N 窒素 14.007
非金属 p-block Period 2 Group 15

窒素

N · Element 7 · Pnictogens

78% of the air you are breathing right now, held together by one of the strongest bonds in chemistry.

20°Cでの状態 気体
原子量 14.007 u
ELECTRON CONFIGURATION [He] 2s² 2p³

構造

窒素原子

環の上の点を示す図ではありません。占有された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。

軌道雲

測定値

性質一覧

各バーは、その性質について窒素が118元素の中でどこに位置するかを示しています。

物理的

密度 0.001 g/cm³ 3%
融点 63.2 K 5%
沸点 77.4 K 3%
比熱 1.04 J/g·K
熱伝導率 0.03 W/m·K 6%

原子

原子半径 65 pm 4%
共有結合半径 71 pm
ファンデルワールス半径 155 pm

電子

電気陰性度 3.04 97%
イオン化エネルギー 1401.9 kJ/mol 97%
電子親和力

存在

地殻中の存在度 19 mg/kg 71%

同定

元素記号N
原子番号7
原子量14.007 u
分類非金属
ブロックp
結晶構造六方晶系
酸化数-3, -2, -1, +1, +2, +3, +4, +5
発見年1772
発見者Daniel Rutherford

出典:IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。

縮尺どおりの大きさ

How big is a 窒素 atom?

Radius 65 pm — that is 0.065 nm, so about 7692 million of them side by side would span a millimetre.

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

窒素 is liquid over a 14 K window, from 63 K to 77 K.

位置

表での位置

窒素 sits in period 2, group 15. Everything in group 15 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 非金属

All 非金属

物語

窒素とは何か、そしてどのように発見されたか

生命に不可欠な元素

窒素は地球の大気中で最も存在度の高い元素で、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、DNAやRNAのようなアミノ酸、タンパク質、核酸の骨格を形成し、すべての生物にとって不可欠です。

窒素は豊富に存在するにもかかわらず、分子形態(N₂)では、2個の窒素原子の間にある非常に強い三重結合のため、極めて反応しにくい性質を持ちます。この化学的な不活性さにより、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、同時に、ほとんどの生物は大気中の窒素を生物学的プロセスに直接利用できません。

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、物理的プロセスを通じて、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おいて重要です。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、窒素を含む爆薬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、食品保存から医療処置まで幅広く利用されています。生命に不可欠である一方、特定の形態では危険になり得るという元素の二面性により、窒素は周期表で最も興味深い元素の一つとなっています。

用途

窒素の用途

工業用途と製造

ハーバー・ボッシュ法と肥料生産

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。

  • 硝酸アンモニウム(NH₄NO₃) - 窒素含有量の高い肥料
  • 尿素(CO(NH₂)₂) - 世界で最も広く使われている窒素肥料
  • 硫酸アンモニウム((NH₄)₂SO₄) - 窒素と硫黄の両方を供給
  • リン酸アンモニウム - 窒素とリンを組み合わせた肥料

化学品の製造と合成

窒素は、多数の工業用化学品を生産するための重要な原料です。

  • 硝酸(HNO₃) - オストワルト法で製造され、爆薬、肥料、化学合成に使用
  • シアン化水素(HCN) - ナイロンになるアジポニトリルの製造に不可欠
  • メラミン - 化粧板や接着剤用のメラミン・ホルムアルデヒド樹脂の製造に使用
  • アクリロニトリル - 合成繊維やプラスチックの基本原料

低温・冷却用途

-196°C(-321°F)の液体窒素は、次のような超低温冷却を実現します。

  • 食品加工 - 食品を急速冷凍し、食感と栄養素を保持
  • 医療用途 - 凍結手術、凍結療法、生物試料の保存
  • 電子機器製造 - 超伝導体の冷却や電子部品の試験
  • ラボ研究 - 制御された低温環境の作成
  • 輸送 - 金属部品の焼きばめやワクチンのコールドチェーンの維持

冶金と材料加工

窒素は、次の工程で酸化を防ぐための不活性雰囲気を作ります。

  • 鉄鋼生産 - 炭素の損失を防ぎ、鋼の性質を制御
  • アルミニウム溶接 - 大気による溶接部の汚染を防止
  • 熱処理 - 焼きなましや硬化中の雰囲気を制御
  • 粉末冶金 - 焼結工程中の酸化を防止

電子・半導体産業

高純度窒素は、次の用途に不可欠です。

  • ウェハー処理 - 清浄で酸素を含まない環境の作成
  • 化学気相成長 - 汚染なしで薄膜を堆積
  • はんだ付け作業 - 電子部品の酸化を防止
  • 保管と輸送 - 敏感な材料のための不活性条件を維持

日常的な用途と消費者向け製品

食品産業と保存

  • 調整雰囲気包装(MAP) - 酸素を窒素に置き換え、生鮮食品、肉、焼き菓子の賞味期間を延長
  • ワインとビールの製造 - 発酵、貯蔵、瓶詰め中の酸化を防止
  • コーヒー包装 - 窒素を充填したコーヒー袋が酸素を排除し、鮮度を維持
  • 調理と食品サービス - 液体窒素が分子ガストロノミーで劇的な効果を生み出す
  • ポテトチップスの袋 - 窒素を充填した包装が酸敗を防ぎ、パリパリした食感を維持
  • 油脂加工 - 窒素置換により製造・貯蔵中の酸化を防止

自動車と輸送

  • タイヤの空気充填 - 純窒素は空気より長時間、タイヤの空気圧を一定に保つ
  • フォーミュラ1レース - 窒素を充填したタイヤは、より予測しやすい空気圧変化をもたらす
  • 航空機のタイヤ - 窒素がタイヤ火災を防ぎ、高高度で空気圧を維持
  • 燃料タンクの不活性化 - 軍用機と民間航空機が窒素を使用し、燃料タンクの爆発を防止

医療・ヘルスケア用途

  • 皮膚科 - 液体窒素でいぼ、スキンタッグ、前がん病変を除去
  • 凍結療法 - 全身凍結療法の装置が運動後の回復に窒素を使用
  • 臓器保存 - 液体窒素で臓器、組織、医療試料を保存
  • 医薬品製造 - 窒素雰囲気が医薬品製造中の劣化を防止
  • 医療機器包装 - 窒素が手術器具の腐食を防止

ラボと研究

  • 試料保存 - 液体窒素デュワーが生物試料を半永久的に保存
  • 化学反応 - 窒素雰囲気が望ましくない酸化反応を防止
  • 分析化学 - 窒素がガスクロマトグラフィーのキャリアガスとして機能
  • 真空システム - 窒素パージにより真空チャンバーから残留気体を除去

環境・安全用途

  • 消火 - 窒素系消火システムがデータセンターや博物館を保護
  • タンク洗浄 - 窒素による不活性化が燃料タンクの整備中の爆発を防止
  • パイプラインのパージ - 窒素が整備作業前に可燃性気体を除去
  • 油流出対応 - 窒素が清掃作業中の着火を防止

由来

天然での存在

19 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 71% of elements

存在度と天然の供給源

大気中の存在度

窒素は地球の大気の大部分を占めており、体積で約78.08%を占めます。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状態の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)で結びついているため、通常の条件では化学的に極めて不活性です。この安定性により、大気中の窒素は何十億年もの間、蓄積してきました。

恒星内元素合成と宇宙起源

窒素は、大質量星の中心部で、主に次の2つのプロセスによる恒星内元素合成によって形成されます。

  • CNOサイクル - 太陽より質量の大きい恒星のエネルギー源となる、炭素・窒素・酸素の核融合サイクル
  • 恒星風による処理 - 進化した恒星内で起こる二次的プロセスにより、星間物質を豊かにする
  • 超新星元素合成 - 恒星の爆発的な死によって窒素が生成され、銀河全体に分配される

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個に対して約1個と推定されています。

地質学的な存在と地殻中の存在度

地球の地殻中では、窒素は比較的まれで、質量で約0.002%しか占めません。天然の窒素含有鉱物には次のものがあります。

  • 硝石(硝酸カリウム、KNO₃) - 細菌の作用により乾燥地域で形成
  • チリ硝石(硝酸ナトリウム、NaNO₃) - アタカマ砂漠に大規模な鉱床が存在
  • 硝石(硝酸カリウム) - 石灰岩地域の洞窟や土壌に存在
  • 有機堆積物 - 石炭、石油、天然ガスに窒素化合物が含まれる

生物学的な窒素循環

窒素循環は、地球上で最も重要な生物地球化学的プロセスの一つです。

窒素固定

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。

  • 根粒菌 - マメ科植物の根と共生関係を形成
  • アゾトバクター - 自由生活性の土壌細菌
  • シアノバクテリア - 水中環境に生息する藍藻
  • - 自然の電気放電によって窒素酸化物を生成

硝化と脱窒

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。

  • アンモニア化 - 有機物の分解によってアンモニアを放出
  • 硝化 - アンモニアを亜硝酸塩、さらに硝酸塩へ変換
  • 脱窒 - 硝酸塩を大気中の窒素に戻す

海洋・水生システム

海洋や淡水のシステムには、かなりの量の溶存窒素が含まれています。

  • 溶存N₂ - 標準状態の海水中に約15 mg/L
  • 硝酸塩と亜硝酸塩 - 海洋植物プランクトンに不可欠な栄養素
  • 有機窒素 - 海洋生物中のタンパク質と核酸
  • 熱水噴出孔 - 深海環境で特殊な細菌が窒素を固定

人間活動が窒素循環に与える影響

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。

  • 工業的窒素固定 - ハーバー・ボッシュ法が自然の窒素固定量を2倍にする
  • 農業排水 - 過剰な肥料が水域で富栄養化を引き起こす
  • 化石燃料の燃焼 - 大気汚染の原因となる窒素酸化物を放出
  • 森林伐採 - 森林生態系における自然な窒素循環を混乱させる

取り扱い

安全性

安全情報と取り扱い上の注意

危険:窒素ガスは、前触れなく急速な窒息を引き起こすことがあります。密閉空間では、窒素が酸素を置換し、数秒以内に意識喪失や死亡に至る可能性があります。

窒息の危険

窒素ガスの毒性:窒素自体は無毒ですが、深刻な窒息の危険があります。

  • 酸素の置換 - 窒素が酸素濃度を安全な水準(最低16%)未満に低下させる
  • 警告の兆候がない - 呼吸困難を感じることなく意識を失う可能性がある
  • 急速な発症 - 高濃度環境では1-2回の呼吸以内に意識を失う可能性がある
  • 静かな殺人者 - 無色無臭の気体のため、感覚による警告がない

低温の危険(液体窒素)

極低温:-196°Cの液体窒素は、接触して数秒以内に重度の凍傷や組織損傷を引き起こす可能性があります。

低温安全対策:

  • 個人用保護具 - 断熱手袋、安全眼鏡、長ズボンを着用する
  • 皮膚への接触 - 瞬時の凍傷や永久的な組織損傷を引き起こす可能性がある
  • 目の保護 - 角膜の凍結を防ぐため、飛沫からの保護が不可欠
  • 蒸気の膨張 - 液体窒素1リットルは気体694リットルに膨張する
  • 圧力の上昇 - 急速な膨張により密閉容器が爆発する可能性がある

産業安全基準

OSHAの規制と作業場の基準:

  • 酸素監視 - 窒素を使用または保管する場所で必要
  • 換気システム - 十分な空気循環により酸素の減少を防止
  • 緊急時の手順 - 窒素関連事故に対する救助手順
  • 訓練要件 - 作業員は窒息の危険を理解しなければならない
  • 大気の検査 - 密閉空間で継続的に監視

保管と輸送

安全な取り扱い手順:

  • シリンダーの保管 - 熱源から離れた場所で直立状態に固定して保管
  • 圧力逃し - 容器には適切な圧力開放システムを備えなければならない
  • 輸送規則 - 圧縮窒素および低温窒素の輸送に関するDOT規則
  • 漏れの検知 - 保管・移送設備を定期的に点検
  • 緊急対応 - 窒素の漏れやばく露に対する適切な手順

応急処置と緊急対応

直ちに行う対応:

  • 窒息 - 直ちに新鮮な空気の場所へ移し、必要に応じて人工呼吸を行う
  • 低温やけど - 寒冷源から離し、ぬるま湯で患部を徐々に温める
  • 目への接触 - 15分間ぬるま湯で洗い流し、直ちに医師の診察を受ける
  • 緊急連絡先 - 毒物管理センター:1-800-222-1222、救急サービス:911

環境上の考慮事項

環境への影響と規制:

  • 窒素酸化物 - 酸性雨やオゾンの生成に寄与
  • 富栄養化 - 過剰な窒素がアオコの発生や水生生態系の混乱を引き起こす
  • 温室効果 - 亜酸化窒素(N₂O)は強力な温室効果ガス
  • 農業排水 - 窒素肥料が水質汚染の原因となる
  • 廃棄物処理 - 窒素含有化合物の適切な廃棄方法

簡単な回答

窒素:よくある質問

What is 窒素?

窒素 (symbol N) is element 7 on the periodic table, a 非金属 in period 2, group 15. 78% of the air you are breathing right now, held together by one of the strongest bonds in chemistry. At room temperature it is a gas.

What is the electron configuration of 窒素?

窒素's ground-state electron configuration is [He] 2s² 2p³, giving 2 occupied shells holding 2, 5 electrons respectively. Its outer shell holds 5 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of 窒素?

窒素 melts at 63.2 K (-210 °C) and boils at 77.4 K (-195.8 °C).

What is the atomic mass of 窒素?

The standard atomic weight of 窒素 is 14.007 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 窒素?

窒素 is a gas at room temperature; its density is about 1.25 g/L at 0 °C and 1 atm — roughly lighter than air.

What is the electronegativity of 窒素?

窒素 has a Pauling electronegativity of 3.04. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this high means it tends to pull electrons away from almost anything it bonds with.

Who discovered 窒素, and when?

窒素 was discovered in 1772 by Daniel Rutherford. It is named after greek nitron + genes, "niter-forming".

How common is 窒素 on Earth?

窒素 makes up about 19 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.