Nitrogen - nitrogen

Japanese: 窒素 - ちっそ（英語表記）nitrogen

It belongs to group 15 of the periodic table and is one of the nitrogen group elements.

history

In the 18th century, it was discovered that air, which had long been considered an element, was not an element. In 1772, the British D. Rutherford discovered that when charcoal or a candle was burned in a bottle, fixed air (carbon dioxide) was produced, and that even after removing this, a gas remained, which, unlike air, did not support combustion. He called this noxious air a gas saturated with phlogiston. In 1789, the French Lavoisier denied the existence of phlogiston, and, since it was impossible to breathe in a gas in which oxygen had been removed from air, he formed the word azote, combining a, which means negation, and zotikos, which means to preserve life. The German translation of this is stickstoff (a substance that makes you suffocate). The Japanese word nitrogen is based on the literal meaning (asphyxiation). Around the same time, Jean Antonie Chaptal (1756-1832) of France proposed the name nitrogen, a combination of the Latin word nitrum, meaning saltpeter, and the Greek word gennao, meaning to produce, since the raw material for saltpeter could be obtained by reacting this gas with oxygen in the presence of caustic potash using a spark. From this the English word nitrogen was derived.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

Existence

It is the fifth most abundant element in the universe and is involved in the energy cycle of stars. Molecules such as _N2 , NH, CN, NO, and _NH3 have been shown to exist in space. It is the most abundant component of the Earth's atmosphere, accounting for approximately 78.1% by volume and 75.5% by weight. Traces of ammonia, ammonium salts, and nitrogen oxides and nitrates produced by air discharges and automobile exhaust fumes are also found in the atmosphere. It is also found in soil at less than 1%, mainly as nitrates. Nitrogen is an essential element for living things, and is found on average in animals and plants at approximately 16%, with trace amounts in seawater. In nature, nitrogen exists as a number of compounds, from gaseous nitrogen in the air to ammonia, nitrate, proteins, and nucleic acids, ranging from simple to complex structures, and circulates in a way that is deeply related to living organisms. In other words, simple nitrogen compounds in soil are converted into proteins and other complex compounds by plants, and animals become constituents of animals when they ingest plants. In addition, the proteins in the carcasses and excrement of plants and animals are reduced by decaying microorganisms and absorbed back into the plant body.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

Manufacturing method

In industry, the most widely used method is to extract oxygen from liquefied air by fractional distillation. In the laboratory, a concentrated solution of ammonium nitrite or a mixture of ammonium chloride and sodium nitrite is heated to about 70 °C. Commercially, liquid nitrogen is transported in tank trucks or bottles (gray cylinders). It is 99.9% pure and can be used directly for normal purposes.

The nitrogen industry is an industry that separates and fixes nitrogen from the air to produce various nitrogen compounds such as ammonia and nitric acid. The most well-known mineral sources of nitrogen are saltpeter and Chilean saltpeter (NaNO3 ₎ , but with the invention of the airborne nitrogen fixation method toward the end of the 19th century, their industrial value decreased, and the nitrogen industry came to mean the industry that fixes airborne nitrogen.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

nature

A colorless, tasteless, odorless gas. Its boiling point is lower than that of oxygen, and its melting point is high. It is colorless in both liquid and solid form. It always exists as a diatomic molecule. It is slightly less soluble in water than oxygen. Its crystals are hexagonal at -238 to -210°C, and cubic at temperatures below -238°C, with the nitrogen molecules ( _N2 ) forming a nearly cubic close-packed structure. It is chemically inactive at room temperature. Therefore, the only things that react directly with nitrogen at room temperature are metallic lithium, bacteria with nitrogen-fixing enzymes, and a few metal complexes. It does not support combustion or aid respiration, but it is not toxic. At high temperatures, it combines directly with other elements to form many nitrides, including ammonia and nitric oxide. When nitrogen is passed through a discharge tube and discharged, highly reactive nitrogen is obtained, which is called activated nitrogen. A yellow afterglow can be seen for a short time after the discharge is stopped. This is because atomic nitrogen exists in addition to ordinary nitrogen molecules, and the afterglow is due to the excited state of nitrogen molecules that occurs when nitrogen atoms recombine.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

Nitrogen Compounds

Nitrogen forms various types of compounds, and the oxidation states of nitrogen range from -III to +V, but the covalent atom is trivalent. Examples include oxidation states -III (ammonia), -II (hydrazine), -I (hydroxylamine), +I (hyponitrite), +II (nitric oxide), +III (nitrous acid), +IV (nitrogen dioxide), and +V (nitric acid). Replacing the hydrogen of ammonia with alkyl or carboxyl groups or other groups leads to a wide variety of nitrogen-containing organic compounds, including amines and amino acids. Replacing it with metals leads to metal amides and nitrides. A series of compounds with oxygen are also contained in the atmosphere and cause acid rain and air pollution. The reaction between nitrogen and oxygen in the air progresses rapidly as the temperature increases. Whatever the fuel, no matter how well the combustion device is designed, the production of nitrogen oxides cannot be avoided. The main components of automobile exhaust gas are nitrogen, oxygen, water vapor, carbon dioxide, and hydrogen, while trace amounts of carbon monoxide, nitrogen monoxide, aldehydes, ketones, various hydrocarbons, and tin, lead, and carbon particles are also present. Nitric oxide produced during combustion is converted to nitrogen dioxide through a photochemical reaction with ultraviolet light, which absorbs light of a specific wavelength and dissociates again, generating ozone with the reactive oxygen produced. The mixture of oxidizing substances such as nitrogen dioxide and aldehyde peroxides, which contain ozone as the main component produced in this way, is collectively called oxidants. See the figure for the relationship between nitrogen compounds.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

Applications

It is most commonly used in ammonia synthesis, where it is reacted with hydrogen to produce ammonia. Many nitrogen compounds, such as nitric acid, fertilizers, and dyes, are made from ammonia. Because nitrogen is chemically inert, it is widely used in large quantities as a filler gas to prevent oxidation in metal refining such as steel, as well as in the chemical, food, and electronics industries, and as a filler gas in light bulbs. Liquid nitrogen is widely used as a safe refrigerant for a variety of purposes, including quick-freezing food, as a freezing agent in civil engineering, and for low-temperature fine grinding.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

Periodic Table
©Shogakukan ">

Periodic Table

Relationships between nitrogen compounds (diagram)
©Shogakukan ">

Relationships between nitrogen compounds (diagram)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

周期表第15族に属し、窒素族元素の一つ。

歴史

古くから元素と考えられていた空気が、元素ではないということが明らかにされてきた18世紀、イギリスのD・ラザフォードは1772年、木炭やろうそくを瓶の中で燃やしたとき固定空気（二酸化炭素）ができること、これを除いても、なおあとに気体が残り、この気体が空気と違って燃焼を支持しないことを知り、有毒気体noxious airとよび、フロギストンの飽和した気体であるとした。1789年フランスのラボアジエは、フロギストンを否定するとともに空気から酸素を除いた気体の中では呼吸ができないことから、否定を意味するaと、生命を保持することを意味するzotikosとによってazoteとした。そのドイツ語訳がstickstoff（息が詰まる物質）である。日本語の窒素は文字どおりの意味（窒息）に基づいている。同じころフランスのシャプタルJean Antonie Chaptal（1756―1832）は、カ性カリの存在下、この気体と酸素を火花によって反応させると硝石の原料が得られることから、硝石を意味するラテン語nitrumと、生じるを意味するギリシア語gennaoとによってnitrogèneという名称を提案しており、これから英語のnitrogenという語が生じた。

［守永健一・中原勝儼］

存在

宇宙では五番目に多い元素で、恒星のエネルギーサイクルに含まれる。宇宙空間にもN₂、NH、CN、NO、NH₃などの分子の存在が示されている。地球大気中の成分としてはもっとも多く、体積で約78.1％、重量では約75.5％に達する。ほかに微量のアンモニア、アンモニウム塩、さらに空中放電や自動車の排気ガスなどによって生じた窒素酸化物と硝酸塩が大気に含まれている。土壌にも1％足らず、主として硝酸塩として存在する。窒素は生物にとって必須(ひっす)の元素であり、動植物中には平均して約16％、海水にも微量の窒素が含まれている。自然界における窒素は、空気中の気体窒素をはじめとし、アンモニア、硝酸などからタンパク質、核酸にわたって、構造の簡単なものから複雑なものまで多数の化合物として存在し、生体に深い関係をもって循環している。すなわち、土壌中の簡単な窒素化合物は植物によってタンパク質その他の複雑な化合物となり、動物が植物を摂取することによって動物の構成物質となる。さらに、動植物の死骸(しがい)や排出物のタンパク質は腐敗微生物によって還元され、ふたたび植物体内に吸収される。

［守永健一・中原勝儼］

製法

工業的には、空気を液化した液体空気から酸素とともに分留して取り出す方法が広く用いられている。実験室では、亜硝酸アンモニウム濃溶液、または塩化アンモニウムと亜硝酸ナトリウムとの混合物を約70℃に熱する。市販品は液体窒素としてタンクローリーあるいはボンベ入り（ボンベの色はねずみ色）で取り扱われる。純度99.9％で、通常の目的にはそのまま使用できる。

　空気中の窒素を分離、固定し、アンモニア、硝酸をはじめとする各種の窒素化合物をつくる工業を窒素工業という。窒素の鉱物資源としては硝石およびチリ硝石NaNO₃が有名であるが、19世紀の終わりごろ空中窒素固定法が発明され、これらの工業的価値は少なくなり、窒素工業は空中窒素固定工業を意味するようになった。

［守永健一・中原勝儼］

性質

無色、無味、無臭の気体。沸点は酸素より低く、融点は高い。液体、固体でも無色。つねに二原子分子として存在する。酸素よりもやや水に溶けにくい。結晶は零下238～零下210℃では六方晶系、零下238℃以下では立方晶系で、窒素分子N₂がほぼ立方最密充填(じゅうてん)構造をとっている。常温では化学的に不活発である。そのため常温で窒素と直接反応するのは金属リチウム、窒素固定酵素をもつバクテリアや少数の金属錯体だけである。燃焼を支えず、呼吸を助けないが有毒ではない。高温では他の元素と直接化合し、アンモニア、酸化窒素など多くの窒化物をつくる。放電管に窒素を通して放電すると、きわめて反応性の高い窒素が得られ、活性窒素とよんでいる。放電を止めてからも黄色の残光が短時間みられる。これは普通の窒素分子のほかに原子状の窒素が存在し、残光は窒素原子の再結合で生じる窒素分子の励起状態に起因するものである。

［守永健一・中原勝儼］

窒素の化合物

窒素は各種の型の化合物をつくり、そのなかでの酸化状態は－Ⅲから＋Ⅴまでのすべてをとるが、共有原子価は3価である。たとえば、酸化数－Ⅲ（アンモニア）、－Ⅱ（ヒドラジン）、－Ⅰ（ヒドロキシルアミン）、＋Ⅰ（次亜硝酸）、＋Ⅱ（一酸化窒素）、＋Ⅲ（亜硝酸）、＋Ⅳ（二酸化窒素）、＋Ⅴ（硝酸）などがあげられる。アンモニアの水素をアルキル基またはカルボキシ基（カルボキシル基）その他で置換すると、アミン類、アミノ酸など多種多様な含窒素有機化合物が誘導される。金属で置換すると金属アミドから窒化物までが導かれる。酸素との一連の化合物も大気中に含まれ酸性雨や大気汚染の原因となる。空気中の窒素と酸素の反応は温度が高くなると急激に進むようになる。燃料が何であっても、燃焼装置をくふうしても、酸化窒素の生成は避けられない。自動車の排ガス中には、窒素、酸素、水蒸気、二酸化炭素、水素が主成分として存在し、一方、一酸化炭素、一酸化窒素、アルデヒド、ケトン、各種炭化水素、スズ、鉛や炭素の微粒子などが微量成分として含まれている。燃焼に際して発生した一酸化窒素は、紫外線による光化学反応で二酸化窒素に変わり、特定な波長の光を吸収してふたたび解離し、生じた反応活性な酸素によりオゾンを生成するという。このようにして生じたオゾンを主成分とする、二酸化窒素やアルデヒド過酸化物などの酸化性物質の混合物をオキシダントと総称している。窒素化合物間の関係については図を参照。

［守永健一・中原勝儼］

用途

水素と反応させてアンモニアをつくるアンモニア合成にもっとも多く用いられる。アンモニアから硝酸、肥料、染料など多くの窒素化合物がつくられる。窒素が化学的に不活性であることから、鉄鋼などの金属精錬をはじめとして化学工業、食品工業、電子工業などで酸化防止用封入ガス、電球封入ガスなどとして広く、また大量に用いられる。液体窒素は食品の急速冷凍用、土木用凍結剤、低温微粉砕用その他各種の目的に対応して安全な寒剤として広く用いられる。

［守永健一・中原勝儼］