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.
構造
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。
測定値
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。
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
Radius 65 pm — that is 0.065 nm, so about 7692 million of them side by side would span a millimetre.
熱範囲
窒素 is liquid over a 14 K window, from 63 K to 77 K.
物語
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、多数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を実現します。
窒素は、次の工程で酸化を防ぐための不活性雰囲気を作ります。
高純度窒素は、次の用途に不可欠です。
由来
19 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 71% of elements
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。
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。
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。
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。
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。
海洋や淡水のシステムには、かなりの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:窒素自体は無毒ですが、深刻な窒息の危険があります。
低温安全対策:
OSHAの規制と作業場の基準:
安全な取り扱い手順:
直ちに行う対応:
環境への影響と規制:
簡単な回答
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.
[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.窒素 melts at 63.2 K (-210 °C) and boils at 77.4 K (-195.8 °C).
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.
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.
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.
窒素 was discovered in 1772 by Daniel Rutherford. It is named after greek nitron + genes, "niter-forming".
窒素 makes up about 19 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.