Nitrogen, ký hiệu N, là nguyên tố số 7, thuộc nhóm 15 và chu kỳ 2. Trong không khí khô gần mặt đất, đơn chất nitrogen chủ yếu tồn tại dưới dạng N2 và chiếm khoảng 78% thể tích.
Nitrogen, ký hiệu N, là nguyên tố số 7, thuộc nhóm 15 và chu kỳ 2. Trong không khí khô gần mặt đất, đơn chất nitrogen chủ yếu tồn tại dưới dạng N2 và chiếm khoảng 78% thể tích. Dù rất phổ biến trong khí quyển, nitrogen không phải lúc nào cũng sẵn có ở dạng mà sinh vật hoặc công nghiệp có thể sử dụng trực tiếp. Nguyên nhân cốt lõi nằm ở cấu trúc phân tử.
Nguyên tử N có cấu hình electron 1s22s22p3. Khi hai nguyên tử tạo thành phân tử N2, liên kết giữa chúng có độ bền lớn. Vì vậy, không nên suy khả năng phản ứng của khí nitrogen chỉ từ số electron độc thân trong mô hình nguyên tử biệt lập. Tính chất của một tập hợp hạt phụ thuộc cách các hạt liên kết, không chỉ phụ thuộc danh tính nguyên tố.
Khái niệm trơ tương đối thường dùng cho N2 là mô tả có điều kiện. Nitrogen vẫn có thể phản ứng ở nhiệt độ cao, trên bề mặt xúc tác hoặc với những chất thích hợp. Một phản ứng thuận lợi về nhiệt động học cũng có thể diễn ra chậm nếu rào cản động học lớn; đây là cách nhìn cần thiết khi giải thích sự bền của nitrogen trong môi trường thường.
Phản ứng tổng hợp ammonia được biểu diễn bằng phương trình N2 + 3H2 ⇌ 2NH3. Trong công nghiệp, việc lựa chọn nhiệt độ, áp suất và xúc tác là sự phối hợp giữa yêu cầu về tốc độ phản ứng, cân bằng và hiệu quả vận hành. Chỉ tăng một thông số không bảo đảm toàn bộ quy trình sẽ tốt hơn.
Xúc tác không làm thay đổi vị trí cân bằng ở cùng điều kiện nhiệt độ; nó giúp hệ tiếp cận cân bằng nhanh hơn bằng con đường phản ứng khác. Sự phân biệt này tránh một nhầm lẫn phổ biến: cho rằng xúc tác có thể làm tăng vô hạn lượng ammonia thu được trong một hệ kín mà không cần thay đổi điều kiện hoặc tách sản phẩm.
Nitrogen có mặt trong ammonia, ammonium, nitrite, nitrate và nhiều hợp chất hữu cơ. Những dạng tồn tại này khác nhau về trạng thái oxi hóa và cách tham gia quá trình sinh học. Việc một mẫu có tổng hàm lượng nitrogen cao không cho biết ngay toàn bộ phần đó có thể được cây trồng sử dụng ở cùng tốc độ hay theo cùng cơ chế.
Trong chu trình tự nhiên, hoạt động của vi sinh vật góp phần chuyển nitrogen giữa các dạng hóa học. Để hiểu một hệ đất hoặc nước, cần xét cả nguồn đưa vào, tốc độ chuyển hóa và đường thất thoát. Cách tiếp cận cân bằng vật chất giải thích vì sao hiệu quả sử dụng phân bón không thể được đánh giá chỉ bằng lượng nitrogen đã bổ sung ban đầu.
Nitrogen lỏng sôi ở khoảng 77 K tại áp suất khí quyển và được dùng trong nhiều ứng dụng làm lạnh. Khi chuyển sang pha khí, cùng một lượng chất có thể chiếm thể tích lớn hơn rất nhiều. Vì vậy, thiết bị chứa phải được thiết kế phù hợp; một bình kín không có cơ chế giải áp không thể được xem như dụng cụ chứa chất lỏng thông thường.
Khí nitrogen cũng được sử dụng làm môi trường bảo vệ trong những quy trình thích hợp. Tuy nhiên, không phải mọi chất đều hoàn toàn không phản ứng với N2, và tính phù hợp phải được đánh giá theo vật liệu, nhiệt độ và áp suất cụ thể. Nitrogen không có mùi cảnh báo thiếu oxygen: sự thay thế không khí bằng khí này có thể tạo nguy cơ ngạt dù bản thân phân tử không được xếp như một chất độc hóa học thông thường.
