氮是一种非金属化学元素，符号为 N，原子序数为 7。在通常条件下，氮单质以无色、无味的气体形式存在，由 N₂ 分子组成。按体积计算，氮气约占地球大气层的78%。含氮化合物是生物体不可或缺的组成成分，也是农业和化工生产的重要原料。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
原子结构与物理性质
氮位于元素周期表的第15族、第2周期。中性氮原子有七个电子，基态电子排布为 1s²2s²2p³。其最外层的五个电子使氮能够形成多种化学键。通常引用的氮原子量为14.007，但其标准原子量区间为[14.00643, 14.00728]，反映了天然氮同位素组成的差异。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
在大气压下，氮的熔点约为−210°C，沸点约为−195.8°C，即77.4 K。由于沸点很低，液氮在低温技术中具有重要用途。液氮储存时需要隔热，因为从周围环境传入的热量会使其持续蒸发；工业储存系统通常采用真空绝热容器。(periodic-table.rsc.org)
天然氮有两种稳定同位素：氮-14和氮-15。氮-14约占天然氮的99.6%。生物和化学转化过程会造成同位素比值的差异，因此这些比值可用于研究环境系统中氮的来源及迁移。大气中的 N₂ 是氮同位素测量的参照标准。(ciaaw.org)
化学性质
在 N₂ 分子中，两个氮原子通过三重共价键结合。这一强键加上分子的非极性，使分子态氮在通常条件下相对不活泼。氮分子的稳定性使大气中的氮转化为其他化合物时面临显著的热力学和动力学障碍。因此，氮气可用作保护气氛，不过“惰性”描述的是它在特定应用中的表现，并不意味着它完全不能发生反应。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
氮在化合物中的氧化态范围为−3至+5。常见例子包括氨（NH₃）中的−3价，以及硝酸根（NO₃⁻）中的+5价。其他在环境中具有重要意义的含氮形态包括铵离子（NH₄⁺）、亚硝酸根（NO₂⁻）和氮氧化物。区分氮单质与这些化合态氮至关重要：大气中 N₂ 含量丰富，并不意味着生物能够轻易利用其中的氮。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
发现与命名
通常认为氮的发现者是丹尼尔·卢瑟福，他于1772年9月在博士论文中描述了这种气体。他通过实验辨识出空气在除去氧气和二氧化碳后剩余的气体。亨利·卡文迪许和约瑟夫·普里斯特利此前也曾获得氮气，但卢瑟福发表的论述确立了他作为氮发现者的地位。(periodic-table.rsc.org)
拉瓦锡将这种气体命名为 azote，该词源自意为“没有生命”的希腊语词语，因为这种气体不能支持呼吸。英文名称 nitrogen 意为“生成硝石的物质”，指的是氮存在于硝石等硝酸盐化合物中。如今，一些语言仍沿用 azote 的不同形式作为氮的名称。(periodic-table.rsc.org)
生物学意义与氮循环
氮存在于构成蛋白质的基本单位——氨基酸中，也存在于脱氧核糖核酸和RNA的含氮碱基中。植物将可利用的含氮化合物转化并纳入这些生物物质；动物则通过摄食其他生物或其产物获取氮。因此，即使大气中的氮十分丰富，可利用氮的供应仍会影响生物的生长。(periodic-table.rsc.org)
氮循环使氮在大气、生物体、土壤和水之间转移。固氮将 N₂ 转化为化合态氮。具有固氮能力的细菌进行生物固氮，产生可进入生物代谢途径的铵。闪电也会将大气中的氮转化为化合物，这些化合物随后到达地表。大多数植物不能直接利用 N₂，而是主要以硝酸根或铵离子的形式吸收氮。(gml.noaa.gov)
分解者将死亡生物和废弃物中的氮转化回铵。在硝化作用过程中，微生物将铵先转化为亚硝酸根，再转化为硝酸根。反硝化作用则将硝酸根转化为气态产物，使氮返回大气。这些转化过程将养分的可利用性与微生物活动及局部环境条件联系起来。(gml.noaa.gov)
工业生产与用途
工业用氮通过分离空气获得，而不是从矿床中提取。大型工厂采用低温蒸馏，将液化空气中的各组分分离。其他系统则采用变压吸附，利用碳分子筛在加压条件下优先吸附氧气，或采用膜分离，利用不同气体透过速率的差异实现分离。具体采用哪种生产方法，取决于所需的纯度和流量。(airproducts.com)
氮的一项主要化工用途是通过哈伯法与氢反应制取氨。氨为肥料提供氮源，也可作为其他工业化学品的生产原料。氮气还用于在食品包装、电子产品生产和金属加工中置换氧气。液氮则用于食品冷冻、生物样品保存和材料加工中的快速冷却。(periodic-table.rsc.org)
环境影响与危险
农业、废水排放和燃料燃烧会改变活性氮的数量与分布。过量养分进入水体可引起富营养化，促进藻类生长并导致水中氧气耗竭。农业土壤及其他氮循环过程还会释放氧化亚氮（N₂O），这是一种温室气体，与大气中的 N₂ 不同。(pubs.usgs.gov)
氮气可通过置换氧气造成窒息，在封闭空间中尤其危险。液氮还带来额外的危险：极低的温度可造成冻伤，而在密闭容器中蒸发则可能产生危险的高压。尽管氮的化学反应性相对较低，这些物理危险仍然存在。(cdc.gov)