最終更新日: 2025 年 4 月 11 日
窒素 (Z=7): 大気中に豊富に存在する不活性元素
窒素の重要な役割
L'窒素(記号 N、原子番号 7) は、地球の大気中に豊富に存在し、地球上の生命の基本となる化学元素です。分子形態 (N₂) では不活性ですが、多くの生物学的および工業的プロセスに不可欠です。
重要なプロセスへの窒素の寄与
生物は大気中の N₂ (非常に安定した形態) を消費しません。特定の窒素固定細菌 (ジアゾトロフ菌) だけが、窒素を生物学的に使用可能な NH3 に変換します。 欠乏の結果: 生物学的機能の進行性の低下 (タンパク質、DNA などの欠乏) ですが、酸素の場合のように即死するわけではありません。
発見の歴史
1772年: ダニエル・ラザフォードによる最初の隔離
窒素ガスは、スコットランドの科学者ダニエル・ラザフォードによって初めて分離され、燃焼をサポートできないため、窒素ガスを「可燃性空気」と呼びました。
1790年: その不活性な性質が認識される
英国の科学者ヘンリー・キャベンディッシュも、呼吸における窒素の役割と酸素との非反応性を研究することで、窒素の特性評価に貢献しました。
原子構造
憲法:窒素原子には 7 個の陽子、7 個の中性子、7 個の電子があり、その電子配置は 1s² 2s² 2p³ です。
同位体:
- 窒素-14 (¹⁴N): 安定同位体で、天然窒素の 99.63% に相当します。
- 窒素-15 (¹⁵N): 安定同位体。科学研究、特に生物学と地球化学で使用されます。
物理的性質
- 二原子ガス (N₂)、無色、無臭、無味。
- モル質量: ≈ 28,014 g/mol
- 融点: 63.15 K (-210.00 °C)
- 沸点: 77.36 K (-195.79 °C)
- 密度: ~1.2506 g/L (0°C、1 atm)
- 室温では不活性で、他のガスや元素と容易に相互作用しません。
化学反応性
- N₂ 分子状の不活性ガス (反応性が非常に低い)。
- 極端な条件(高温、高圧)下で水素と反応し、ハーバー・ボッシュ法によりアンモニア(NH₃)を生成します。
- 大気中の酸素と反応して窒素酸化物 (NO、NO₂) を生成します。
- 植物のタンパク質生産に不可欠な生物学的窒素固定に関与します。
産業および技術用途
- 肥料製造のためのアンモニア (NH₃) の合成 (ハーバー・ボッシュ法)。
- 爆発物や化学物質に使用される硝酸塩の製造。
- その慣性特性により、電子回路や極低温工学で使用されます。
- 液体窒素は、さまざまな極低温用途で冷媒として使用されます。
- 半導体製造と温室効果ガス (NOx) 生成において重要な役割を果たします。
生物学的および生態学的役割
- 窒素固定: 植物が共生細菌を使用して空気中の窒素を硝酸塩の形で同化できるようにする自然なプロセス。
- 窒素循環: 植物の成長とタンパク質の生産に不可欠な生物地球化学的プロセス。
- 生物の基本要素であるDNAとアミノ酸に存在します。
- 一部の医薬品や化学物質に使用されるヒドラジンの合成に窒素を使用します。
環境と産業の問題
- 対流圏オゾンの形成の主な原因となる窒素酸化物 (NOx) による大気汚染問題。
- 二酸化窒素 (NO₂) の排出による温室効果と酸性雨への寄与。
- 農業における窒素肥料の過剰使用は、土壌と水の汚染につながります。