窒素（化学元素）：性質、窒素循環、用途

物理的・化学的性質

窒素原子は原子核に7個の陽子を含み、最も一般的な同位体では通常7個の中性子を含みます。電子配置により5個の価電子をもち、これが窒素の化学的性質を左右します。分子状窒素のN≡N三重結合は非常に強いため、N2は常温では比較的不活性です。窒素は、アンモニアのような還元型の化学種から、高度に酸化された酸化物（NO、NO2）や硝酸塩まで、幅広い化合物をつくります。

存在、循環と生物学的重要性

大気のおよそ78％は分子状窒素であり、窒素の巨大な貯蔵庫となっていますが、大半の生物はこれを直接利用できません。N2を生物が利用可能な形態へ変換する過程は、生物的窒素固定、工業的過程、雷によって実現されます。固定された窒素はアミノ酸、タンパク質、核酸、クロロフィルに取り込まれるため、窒素循環は植物の生長、生態系、食料生産の基盤です。大気の組成については、大気に関する資料も参照してください。

生産と主な用途

とりわけハーバー・ボッシュ法として知られる窒素の工業的固定では、窒素と水素を反応させ、大部分の合成肥料の原料となるアンモニアを生産します。アンモニアとその誘導体は現代農業を支え、ひいては世界の食料供給を支えています。窒素およびその化合物は、冷却（液体窒素）、化学合成、爆薬（ニトロ化合物）、医薬品、ならびに精密な製造工程のための不活性雰囲気にも用いられます。

歴史と注目すべき事実

窒素は18世紀後半に、空気を構成する独立した成分として確認されました。その比較的低い反応性は、元素が反応するために切断されなければならないN2の強い三重結合に由来します。存在量が大きく異なる2種の安定同位体は、科学研究や生物学的・地質学的過程の追跡に利用されます。基本的な原子情報については、その原子構造と一般的な性質の要約を参照してください。

要点

• 生命に不可欠な元素であり、アミノ酸および核酸の構成成分です。
• 大気中の貯蔵庫として、N2は地球の空気のおよそ4分の3を占めます。
• 工業的には、アンモニア生産が現代の肥料と食料生産を支えています。
• 環境面では、固定窒素の過剰は富栄養化などの生態学的影響を引き起こす可能性があります。