最終更新：2024年11月30日

窒素 (Z=7)：地球上の生命の見えない支柱

窒素の発見の歴史

窒素は18世紀後半に複数の化学者によって独立して発見されました。 1772年、スコットランドの医師・化学者ダニエル・ラザフォード（1749-1819）は、空気から酸素と二酸化炭素を除去し、「有害な空気」または「フロギストン空気」と呼んだガス状の残留物を残しました。ほぼ同時期に、スウェーデンのカール・ヴィルヘルム・シェーレ（1742-1786）、イギリスのヘンリー・キャヴェンディッシュ（1731-1810）、ジョセフ・プリーストリー（1733-1804）も同様の実験を行いました。 1790年、フランスの化学者ジャン＝アントワーヌ・シャプタル（1756-1832）は、このガスが生命や燃焼を維持できないことに着目し、ギリシャ語のa（無）とzoe（生命）からazoteと名付けました。英語の「nitrogen」（硝石生成物）という名前も1790年にシャプタルによって提案され、硝石（硝酸カリウム）に由来します。

構造と基本的な性質

窒素（記号N、原子番号7）は周期表の15族（ピクノゲン）に属する非金属で、7つの陽子、通常7つの中性子（最も一般的な同位体の場合）、および7つの電子から構成されます。安定同位体は窒素-14 \(\,^{14}\mathrm{N}\)（≈ 99.636%）と窒素-15 \(\,^{15}\mathrm{N}\)（≈ 0.364%）です。
室温では、窒素は二原子分子（N₂）の形で存在し、無色、無臭、化学的に比較的不活性です。 N₂分子は非常に強い三重結合（N≡N）を持ち、通常の条件下で特に安定で反応性が低いです。この安定性により、窒素ガスは地球の大気の約78%を占めます。 N₂ガスの密度は標準温度・圧力下で約1.251 g/Lです。液体と固体が共存できる温度（融点）：63.15 K（−210.00 °C）。液体から気体に変化する温度（沸点）：77.355 K（−195.795 °C）。

窒素の同位体表

窒素の同位体（主要な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
窒素-13 — \(\,^{13}\mathrm{N}\,\)	7	6	13.005739 u	非天然	9.965 分	β\(^+\)崩壊で \(\,^{13}\mathrm{C}\) になる；陽電子放出断層撮影（PET）に使用。
窒素-14 — \(\,^{14}\mathrm{N}\,\)	7	7	14.003074 u	≈ 99.636 %	安定	主要同位体；地球上の生命のタンパク質と核酸の基礎。
窒素-15 — \(\,^{15}\mathrm{N}\,\)	7	8	15.000109 u	≈ 0.364 %	安定	NMR分光法、生物学のトレーサー、窒素サイクルの研究に使用。
窒素-16 — \(\,^{16}\mathrm{N}\,\)	7	9	16.006102 u	非天然	7.13 秒	β\(^-\)崩壊で \(\,^{16}\mathrm{O}\) になる；原子炉で生成。
窒素-17 — \(\,^{17}\mathrm{N}\,\)	7	10	17.008450 u	非天然	4.173 秒	β\(^-\)崩壊；核研究で使用。
その他の同位体 — \(\,^{10}\mathrm{N}-\,^{12}\mathrm{N},\,^{18}\mathrm{N}-\,^{25}\mathrm{N}\)	7	3-5, 11-18	— (共鳴状態)	非天然	\(10^{-22}\) — 0.63 秒	核物理学で観察される非常に不安定な状態；粒子放出またはβ放射性崩壊による崩壊。

電子配置と電子殻

N.B. :
電子殻: 電子が原子核のまわりに配置されるしくみ.

窒素は2つの電子殻に7個の電子を持っています。その完全な電子配置は1s² 2s² 2p³、または簡略化すると[He] 2s² 2p³です。この配置はK(2) L(5)とも表記されます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1): 1sサブシェルに2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2): 2s² 2p³として配置された5個の電子を含みます。2s軌道は完全ですが、2p軌道は6個可能なうち3個の電子しか含まず、フントの規則に従って3つの2p軌道にそれぞれ1個の電子が存在します。したがって、ネオンの安定した8電子（オクテット）の配置に達するためには3個の電子が不足しています。

価電子と酸化状態

外側の殻（2s² 2p³）にある5個の電子は窒素の価電子です。この配置は窒素の化学的性質を説明します：
3個の電子を得ることで、窒素はN³⁻イオン（酸化状態-3）を形成し、金属窒化物やアンモニア（NH₃）に存在し、ネオンの安定した配置[Ne]を採用します。
窒素は、酸化物やオキソ酸（例えば、酸化状態+5の硝酸HNO₃）で観察されるように、+1、+2、+3、+4、+5などの多くの正の酸化状態を示すことができます。
酸化状態0は窒素分子N₂に対応し、これは窒素の自然な分子形態であり、2つの窒素原子が非常に安定した三重結合で結びついています。

窒素の電子配置は、5個の価電子を持ち、ピクノゲン（第15族）に分類され、金属と非金属の中間的な性質を与えます。この構造により、窒素は3つの共有結合を形成する能力（3つの不対2p電子を共有）、N₂分子の高い安定性（三重結合による非常に高い解離エネルギー）、および-3から+5までの酸化状態を持つ化学的多様性を示します。窒素は一部のイオン化合物でN³⁻イオンを形成しますが、このイオンは非常に希少で容易に加水分解されます。より一般的には、窒素は共有結合で電子を共有します。窒素分子N₂は無色無臭の気体で、室温では三重結合の高い安定性のため化学的に非常に不活性です。この不活性により、窒素分子は保護的な不活性雰囲気を作るのに理想的なガスとなります。

窒素の重要性は極めて高く、地球の大気の約78％を占め、最も豊富な大気ガスです。窒素は生命に不可欠であり、タンパク質、核酸（DNA、RNA）、および多くの他の生体分子の基本要素です。窒素循環は、窒素がさまざまな化学形態に変換されることを可能にし、生態系にとって基本的です。産業的には、窒素はアンモニアの合成（ハーバー・ボッシュ法による窒素肥料の基礎）、硝酸の生産、爆薬の製造、および食品および電子産業での不活性雰囲気として使用されます。液体窒素は空気の蒸留によって得られ、生物学的保存やさまざまな産業用途のための低温流体として使用されます。

化学的反応性

窒素は5つの価電子を持ち、通常3つの共有結合を形成します（アンモニアNH₃での酸化状態−3）。また、電子を失って−3から+5までのさまざまな酸化状態を取ることもできます。 N₂分子の三重結合（N≡N）は、既知の化学結合の中で最も強いものの一つ（解離エネルギー≈ 945 kJ/mol）であり、通常の条件下では窒素分子を非常に不活性にします。この不活性は、保護的な不活性ガス雰囲気を作るために産業的に利用されています。

しかし、三重結合が高温、高圧、または触媒によって切断されると、窒素は非常に反応性が高くなります。水素（アンモニアNH₃、ヒドラジンN₂H₄）、酸素（窒素酸化物：NO、NO₂、N₂O、N₂O₃、N₂O₅）、ハロゲン（窒素三ハロゲン化物）、多くの金属（窒化物）など、ほとんどすべての元素と化合物を形成します。窒素化合物は、肥料（硝酸塩、アンモニア）、強力な爆薬（TNT、ニトログリセリン）、タンパク質や核酸など、驚くべき範囲の性質を示します。

窒素サイクルは、地球上で最も重要な生物地球化学的サイクルの一つです。 N₂は大気中に豊富に存在しますが、ほとんどの生物は直接利用できません。一部の細菌（共生または自由生活）による生物学的窒素固定は、N₂をアンモニアに変換し、植物が吸収できるようにします。他の細菌は、硝化（亜硝酸塩から硝酸塩への変換）と脱窒（窒素の大気中への戻り）を行います。人類は、ハーバー・ボッシュ法による大量の窒素肥料の産業的生産によって、この自然サイクルを深刻に乱しています。

窒素の産業および技術的応用

食品の酸化を防ぎ、保存期間を延ばすための不活性ガス雰囲気の作成；
生物学的サンプル、細胞、胚の保存のための低温冷却剤（液体窒素）；
電子産業における製造中の酸化からの敏感な部品の保護；
ハーバー・ボッシュ法によるアンモニア（NH₃）の生産、窒素肥料製造の基礎；
肥料や爆薬の製造に使用される硝酸（HNO₃）の生産；
消火および防火システムにおける不活性ガス；
鋼の窒化による硬度と耐摩耗性の向上；
石油産業における井戸の加圧と採掘の改善；
飲料配給システム（加圧ビール）における推進剤；
航空機およびレース車両のタイヤの充填（空気よりも安定性が高い）；
集積回路および電子チップの製造（制御された雰囲気）；
研究で使用されるパルス窒素レーザーの窒素源；
食品の急速冷凍および医療用クリオサージェリー；
爆薬（TNT、ニトログリセリン）および推進剤の生産；
タンパク質、核酸、その他の重要な生体分子の必須成分；
貯留層への窒素注入による石油の増進回収；
自動車のエアバッグ（展開時の窒素ガスの迅速な生成）；
金属の溶接およびろう付け時の保護雰囲気；
分析化学におけるクロマトグラフィーおよび質量分析のキャリアガス。

天体物理学と宇宙論における役割

窒素は観測可能な宇宙で5番目に豊富な元素（水素、ヘリウム、酸素、炭素に次ぐ）であり、銀河の化学進化において重要な役割を果たします。原始元素とは異なり、窒素は完全に恒星核合成によって生成されます。

恒星における窒素の主な生成経路はCNOサイクル（炭素-窒素-酸素）であり、窒素は水素からヘリウムへの融合における触媒的中間体として現れます。大質量星では、このサイクルがエネルギー生産を支配します。窒素-14は主に中間質量星（2-8太陽質量）のAGB（漸近巨星分枝）段階で生成され、炭素からCNサイクルを介して合成されます。これらの星は、強力な恒星風を通じて星間物質を窒素で豊かにします。

窒素はまた、星間物質中でのスパレーション反応（宇宙線による重い原子の破砕）によっても生成されますが、恒星核合成に比べるとその寄与は小さいです。

星間物質中では、窒素は原子状態（N、N⁺）、分子状態（N₂、CN、HCN、NH₃、および多くの他の複雑な窒素含有分子）で存在します。窒素含有分子は、星が形成される密集した分子雲における物理的および化学的条件の重要なトレーサーです。窒素分子（N₂）は恒久的な双極子モーメントがないため、宇宙空間で直接検出することは困難ですが、その存在量は他の窒素種を介して間接的に推定できます。

同位体比¹⁴N/¹⁵Nは宇宙で大きく変動し、恒星における核合成および混合過程に関する貴重な情報を提供します。隕石、彗星、惑星大気、星間物質で測定されたこの比率は、我々の銀河における物質のリサイクルの複雑な歴史を明らかにします。太陽系の¹⁴N/¹⁵N比率は約272ですが、この比率は観測される源や天体によって大きく変動する可能性があります。

惑星大気中では、窒素が重要な役割を果たします。地球では、大気の78%を占め、生命に不可欠です。土星の衛星タイタンでは、大気が98%窒素で構成されています。窒素の大気中での研究とその化学サイクルは、太陽系のさまざまな天体や潜在的に居住可能な系外惑星における惑星進化と地球外生命の探索を理解するために不可欠です。

N.B.：
ハーバー・ボッシュ法は20世紀初頭に開発され、高圧・高温下で鉄触媒を用いて大気中の窒素と水素からアンモニアを工業的に合成することを可能にしました。この革新により、窒素肥料の大量生産が可能となり、農業生産性が大幅に向上し、指数関数的に増加する世界人口を養うことができました。現在、人間のタンパク質中の窒素の半分以上がこの方法で人工的に固定された窒素に由来すると推定されています。しかし、この大規模な工業的窒素固定（年間約1億5000万トン）は、自然の生物学的固定をはるかに超え、重大な環境問題を引き起こしています：硝酸塩による水質汚染、水域生態系の富栄養化、一酸化二窒素（N₂O、強力な温室効果ガス）の排出、および地球規模での窒素サイクルの深刻な攪乱です。 21世紀の課題は、食料生産を維持しながら、よりバランスの取れた持続可能な窒素サイクルを回復させることです。