窒素のソースを表示

{{Otheruses|元素|日本の化学工業の株式会社|チッソ}}
{{Elementbox
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|pronounce={{IPAc-en|ˈ|n|aɪ|t|r|ɵ|dʒ|ɨ|n}} {{respell|NYE|tro-jin}}
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|melting point K=63.15
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|japanese crystal structure=[[六方晶系]]
|oxidation states=5, 4, '''3''', 2, 1, &minus;1, &minus;2, &minus;3（強[[酸性酸化物]]）
|electronegativity=3.04
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|Van der Waals radius=[[1 E-10 m|155]]
|magnetic ordering=[[反磁性]]
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{{Elementbox_isotopes_decay | mn=[[窒素13|13]] | sym=N
 | na=[[人工放射性同位体|syn]] | hl=[[1 E2 s|9.965 min]]
 | dm=[[電子捕獲|ε]] | de=2.220 | pn=[[炭素13|13]] | ps=[[炭素|C]]}}
{{Elementbox_isotopes_stable | mn=[[窒素14|14]] | sym=N | na=99.634 % | n=7}}
{{Elementbox_isotopes_stable | mn=[[窒素15|15]] | sym=N | na=0.366 % | n=8}}
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}}
'''窒素'''（ちっそ、{{lang-en-short|nitrogen}}、{{lang-fr-short|azote}}、{{lang-de-short|Stickstoff}}）は、[[原子番号]]7の[[元素]]である。[[元素記号]]は'''N'''。[[原子量]]は14.007。[[第15族元素]]、[[第2周期元素]]。

[[地球の大気]]中に安定した[[気体]]として存在するほか、[[生物]]に欠かせない[[アミノ酸]]、[[アンモニア]]など様々な[[化合物]]を構成する<ref name="日経産業20211108">【直談 専門家に聞く】窒素排出、環境汚染の原因に／安く回収・再利用目指す『[[日経産業新聞]]』2021年11月8日イノベーション面</ref>。[[ハーバー・ボッシュ法]]によりアンモニアの量産が可能になって以降、人間により工業的に産生された[[肥料の三要素#窒素|窒素肥料]]や[[窒素酸化物]]が大量に投入・排出され、自然環境にも大きな影響を与えている<ref name="日経産業20211108"/>。

一般に「窒素」という場合は、窒素の[[単体]]である'''窒素分子'''（<chem>N2</chem>）を指すことが多く、本項でもそのように用いられる場合がある。本項では窒素[[分子]]についても記載する。

== 名称 ==
[[1772年]]に、[[ダニエル・ラザフォード]]が {{lang|en|noxious air}}（有毒空気）と名付けた。その中に生物を入れると[[窒息]]して死んでしまうことにちなんでいる<ref name="genso">{{Cite |和書 |author=[[桜井弘]] |title=元素111の新知識 |date=1998 |pages=57 |publisher=[[講談社]] |series=[[ブルーバックス]] |isbn=4-06-257192-7 |ref = harv }}</ref>。

[[カール・ヴィルヘルム・シェーレ]]は、[[酸素]]を「火の空気」、窒素を「駄目な空気」と命名した。

[[アントワーヌ・ラヴォアジエ]]は、フランス語で「生きられないもの」という意味の{{lang|fr|azote}}と命名した。

窒素の英語名「<ruby lang="en">nitrogen<rp>（</rp><rt lang="en-Kana">ナイトロジェン</rt><rp>）</rp></ruby>」は、[[ギリシア語]]の{{lang|el|νίτρον}}（[[硝石]]の意）と{{lang|el|γεννάω}}（「生じる」の意）に由来している{{r|genso}}。

[[ドイツ語]]では<ruby lang="de">Sticken<rp>（</rp><rt lang="de-Kana">シュティッケン</rt><rp>）</rp></ruby>（窒息させる）と<ruby lang="de">Stoff<rp>（</rp><rt lang="de-Kana">シュトフ</rt><rp>）</rp></ruby>（物質）を組み合わせて<ruby lang="de">Stickstoff<rp>（</rp><rt lang="de-Kana">シュティクシュトフ</rt><rp>）</rp></ruby>と呼ばれており、日本語の「窒素」は、これを訳したものである{{r|genso}}。

== 歴史 ==
窒素は、かつて物が燃えるもとと考えられていた[[フロギストン説|燃素]]の研究の過程で発見されたもので、最初に単体分離を行った者の特定は困難である。

[[1772年]]、[[ダニエル・ラザフォード]]が窒素を単体分離（窒素分子）した{{r|genso}}。

ほぼ同じ時期に[[カール・ヴィルヘルム・シェーレ]]と[[ヘンリー・キャヴェンディッシュ]]も単体分離（窒素分子）したと言われている。

窒素が元素であることを発見したのはフランスの[[アントワーヌ・ラヴォアジエ]]である。

近年の需要に対応して、窒素分子気体について[[2005年]]に[[日本工業規格]]（JIS K 1107<ref>{{Cite jis|K|1107}}</ref>）に規定の[[純度]]が高められた。

== 分布 ==
窒素は窒素分子として空気の大部分（容積比で78.11%、重量比で75.53%）を占め<ref>{{Cite web |url=https://www.env.go.jp/earth/coop/coop/document/02-apctmj1/02-apctmj1-011.pdf |title=「大気」概論 |publisher=[[環境省]] |accessdate=2024-12-21}}</ref>、その他にも[[アミノ酸]]をはじめとする多くの生体物質中に含まれており、[[地球]]のほぼ全ての生物にとって、必須の元素である。

[[オーロラ (代表的なトピック)|オーロラ]]が起きる場合、窒素は赤、青、紫色の光を放出する<ref>デイヴィッド・ベイカー、トッド・ラトクリフ著 渡部潤一監訳 後藤真理子訳『[[太陽系]]探検ガイド エクストリームな50の場所』（[[朝倉書店]] 2012年10月10日初版第1刷）p.140</ref>。

窒素を主体とする大気は地球のほかに、[[土星の衛星]]である[[タイタン (衛星)|タイタン]]も保持している。タイタンの大気は地球よりも濃密であり、気圧は地球の1.5倍にも上る<ref>『[[ニュートン (雑誌)|Newton]]別冊 探査機が明らかにした太陽系のすべて』（ニュートンプレス 2006年11月15日発行）p.98</ref>が、その大気の97%は窒素によって占められている。

== 性質 ==
[[ファイル:Neon orbitals.png|thumb|upright=1.6|窒素原子における、[[電子]]の占める5つの[[原子軌道]]。2つの色は[[波動関数]]の[[位相]]を表している。左端から1s、2s（二分割し内部構造を露出させている）、2p<sub>''x''</sub>、2p<sub>''y''</sub>、2p<sub>''z''</sub> 軌道である。]]

窒素は[[窒素族元素]]の一つ。生物にとっては非常に重要で[[アミノ酸]]や[[タンパク質]]、[[核酸塩基]]など、あらゆるところに含まれる。これらの窒素化合物を分解すると生体に有害な[[アンモニア]]となるが、動物（特に[[哺乳類]]）は窒素を無害で水溶性の[[尿素]]として[[代謝]]する。しかし、貯蔵はできないためそのほとんどは[[尿]]として体外に排泄する。そのため、アミノ酸合成に必要な窒素は再利用ができず、持続的に摂取する必要がある。

ただし、窒素分子は非常に安定した分子であるためにほとんどの生物は大気中の窒素分子を利用することができず、[[微生物]]などが[[窒素固定]]によって作り出す窒素化合物を摂取することで体内に窒素原子を取り込んでいる。こうした窒素化合物はやはり微生物による[[脱窒]]の過程を経て再び大気中に放散され、[[窒素循環]]と呼ばれるサイクルを形成している<ref>武村政春『人間のための一般生物学』（[[裳華房]] 2010年3月10日第3版第1刷）p.71</ref>。

== 窒素分子 ==
'''窒素分子'''<ref group="注">{{lang-en-short|dinitrogen}}</ref>は[[化学式]] <chem>N_2</chem> で表され、[[常温]]常圧で無色無臭の[[気体]]として存在する。[[分子量]]28.014、[[融点]]&minus;210&nbsp;[[セルシウス度|&deg;C]]、[[沸点]]&minus;195.8&nbsp;&deg;C、[[比重]]0.808（&minus;195.8&nbsp;&deg;C）。[[地球の大気]]中に最も多く含まれる[[気体]]で、大気中の体積分率は地上でおよそ78%である<ref>{{Cite web|和書|title=lesson01 |url=https://www.daikin.co.jp/school/class02/lesson01 |website=www.daikin.co.jp |access-date=2022-09-19 |language=ja-JP}}</ref>。

窒素分子は[[常温]]では無味無臭の気体として安定した形で存在する。また、[[液化]]した窒素分子（'''[[液体窒素]]'''）は冷却剤としてよく使用される。常圧では、窒素分子の沸点は&minus;195.8&nbsp;&deg;C、77&nbsp;[[ケルビン|K]]である。

常温常圧下では極めて[[不活性気体|不活性]]かつ、[[アルゴン]]などの[[希ガス]]に比べると安価な気体であるため、[[嫌気性]]条件や乾燥条件を設定する際に、用いられることが多い。

1964年、[[山本明夫]]らのグループによって、窒素分子の[[コバルト]][[錯体]]（[[山本錯体]]、パールハーバー・コンプレックス）が報告されている。このテーマは、[[森美和子]]らによって、窒素分子を活性化して[[有機化合物]]に組み込む研究に発展した。なお、[[2004年]]になって窒素を1700&nbsp;&deg;C、110万気圧で圧縮することにより、窒素原子が3本の腕で蜂の巣状のネットワーク「ポリ窒素（polynitrogen）」を作ることが判明した<ref>[http://pubs.acs.org/cen/news/8231/8231notw6.html POLYNITROGEN]『Chemical & Engineering News』August 2, 2004. Volume 82, Number 31 p.10</ref>。このポリ窒素は、[[核兵器]]を除いた中では[[ヘキサニトロヘキサアザイソウルチタン|最大の威力を有する爆薬]]に比べて4倍以上のエネルギーを有すると考えられている。{{see also|窒素爆弾}}

[[雷]]（[[落雷]]）に付随して発光すると言われる[[超高層雷放電]]（[[レッドスプライト]]）は窒素分子がその発光に関係していることが分かった<ref>{{Cite journal|last=Armstrong|first=R.A.|last2=Shorter|first2=J.A.|last3=Taylor|first3=M.J.|last4=Suszcynsky|first4=D.M.|last5=Lyons|first5=W.A.|last6=Jeong|first6=L.S.|date=1998-05|title=Photometric measurements in the SPRITES ’95 & ’96 campaigns of nitrogen second positive (399.8 nm) and first negative (427.8 nm) emissions|url=https://doi.org/10.1016/s1364-6826(98)00026-1|journal=Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics|volume=60|issue=7-9|pages=787–799|doi=10.1016/s1364-6826(98)00026-1|issn=1364-6826}}</ref>。

== 窒素分子の用途 ==
窒素は工業分野では幅広い用途に使われている。また窒素単体だけでなくその化合物も様々な用途に広く使用される。窒素化合物を生産する工業は「窒素工業」と総称され、化学工業の重要な一分野となっている。
* [[ハーバー・ボッシュ法]]によるアンモニア生産の原料<ref name="日経産業20211108"/>。
[[ファイル:2007Computex Day2 Hall2-23.jpg|thumb|250px|液体窒素を冷却材とする[[オーバークロック|オーバークロッキング]][[CPU]]]]
* 冷却剤（'''[[液体窒素]]'''） - 液体窒素温度（&minus;195.8&nbsp;&deg;C）まで冷却でき、安価で比較的安全なため、低温における化学および物理学の実験、[[オーバークロック]]競技などでの[[CPUの冷却装置#寒剤を用いた冷却|CPUの冷却]]、工業用プラント、[[受精卵]]の凍結保存、[[爆発物処理]]などの冷却に用いられる。
* 食品の[[酸化]]防止のための封入ガス。
* [[テクニカルダイビング]]用呼吸ガス（ナイトロックスやトライミックスなど[[混合ガス]]）。
* [[消火器]]の加圧粉末式・蓄圧粉末式の圧力源。
* [[不活性気体|不活性ガス]]としての特性を生かし、[[タイヤ]]や[[アキュムレータ (機械)|アキュムレータ]]にも使用されている。
* ゴムタイヤへの充填では、空気に比べて乾燥しているため、急激な温度変化にさらされる[[航空機]]用では内部の凍結や[[結露]]を防ぐことができ、かつ、[[モータースポーツ]]などの過酷な条件下でも温度に対する内圧の変化が少ない。一般的な自動車での使用でも（タイヤ内部に酸素遮断膜はあるものの）ゴムを透過しやすい酸素を含まないため抜けにくくなる利点がある。

窒素ガスの2004年度の[[日本]]国内生産量は90億5897万8000[[立方メートル]]、工業消費量は35億9448万立方メートル、液化窒素の2004年度日本国内生産量は22億2227万立方メートル、工業消費量は3億6105万1000立方メートルである。

== 窒素と植物 ==
植物にとって窒素は、たんぱく質や葉緑素をつくり生育を促す不可欠な要素である<ref name="gifu">[https://www.gifu.crcr.or.jp/media/chousakenkyu/kenkyu/environment_01.pdf 岐阜県街路樹等整備･管理の手引き] 岐阜県建設研究センター、岐阜県造園緑化協会、2022年4月23日閲覧。</ref>。そのため[[リン酸]]、[[カリウム]]と並んで[[肥料の三要素]]の一つに数えられる。特に葉を大きくする作用が強いため、窒素は葉肥と呼ばれる<ref name="gifu" />。

窒素不足になると葉の黄変や葉枯れを起こすことがある<ref name="gifu" />。一方、窒素過多になると、葉は濃緑色になり、開花が遅れたり咲かないことがある<ref name="gifu" />。

== 窒素化合物 ==
窒素化合物には、アンモニアや[[硝酸]]のような[[無機化合物]]から、各種[[ニトロ化合物]]や[[複素環式化合物]]などの[[有機化合物]]まで、非常に多くの種類がある。

20世紀以降、大量の窒素化合物が人為的に生産・排出されるようになり、[[酸性雨]]を含む[[大気汚染]]、水系の[[富栄養化]]、[[地下水]]の硝酸汚染を引き起こしており、微生物や[[触媒]]による窒素の回収・再利用技術が日本の[[産業技術総合研究所]]で研究されている<ref name="日経産業20211108"/>。

以下では主に無機化合物について概説する。

=== 窒素酸化物 ===
窒素と酸素からできる化合物を[[窒素酸化物]]という。略称'''NOx'''（ノックス）で、大気汚染の原因物質の一つとされるが、窒素と酸素を混合して高温に加熱すると自然と生成するため、排出の抑制は難しい。

* [[亜酸化窒素|一酸化二窒素]]（亜酸化窒素、笑気）（<chem>N2O</chem>）
* [[一酸化窒素]]（<chem>NO</chem>）
* [[三酸化二窒素]]（<chem>N2O3</chem>）
* [[二酸化窒素]]（<chem>NO2</chem>）
* [[四酸化二窒素]]（<chem>N2O4</chem>）
* [[五酸化二窒素]]（<chem>N2O5</chem>）
* {{link-zh|三酸化窒素|三氧化氮}}（<chem>NO3</chem>）

=== 窒素のオキソ酸 ===
窒素の[[オキソ酸]]は慣用名を持つ。次にそれらを挙げる。

{| class="wikitable"
! style="white-space:nowrap" | オキソ酸の名称 !! style="white-space:nowrap" | [[化学式]]<br>（[[酸化数]]） !! style="white-space:nowrap" | オキソ酸塩の名称 !! 備考
|-
| style="white-space:nowrap" | [[次亜硝酸]]<br>（{{lang-en-short|hyponitrous acid}}）|| <chem>H2N2O2</chem><br>（+I）|| 次亜硝酸塩<br>（{{lang-en-short| - hyponitrite}}）|| 次亜硝酸は[[2価]]の酸で、無色[[結晶]]として単離される。
|-
| [[亜硝酸]]<br>（{{lang-en-short|nitrous acid}}）|| <chem>HNO2</chem><br>（+III）|| 亜硝酸塩<br>（{{lang-en-short| - nitrite}}）|| 亜硝酸は弱酸（[[酸解離定数|pKa]]3.35）、不安定なため単離できず、[[水溶液]]中でも徐々に分解する。[[亜硝酸塩]]は安定で、種々の[[塩 (化学)|塩]]が知られている。
|-
| [[硝酸]]<br>（{{lang-en-short|nitric acid}}）|| <chem>HNO3</chem><br>（+V）|| 硝酸塩<br>（{{lang-en-short| - nitrate}}）|| 硝酸およびその塩は「[[硝酸]]」の項に詳しい。
|}
''※オキソ酸塩名称の'-'にはカチオン種の名称が入る''
* [[亜硝酸エステル|亜硝酸アミル]]

=== 窒化物 ===
'''[[窒化物]]'''（ちっかぶつ<ref group="注">{{lang-en-short|nitride}}</ref>）とは、窒素と窒素よりも陽性の（[[電気陰性度]]が小さい）元素から構成される化合物である。場合によっては[[アジ化物]]も含める場合もある。

* [[窒化ホウ素]] (<chem>BN</chem>)
* [[窒化炭素]] (<chem>C_3N_4</chem>)
* [[窒化ケイ素]] (<chem>Si_3N_4</chem>)
* [[窒化ガリウム]] (<chem>GaN</chem>)
* [[窒化インジウム]] (<chem>InN</chem>)
* [[窒化アルミニウム]] (<chem>AlN</chem>)
* [[窒化マグネシウム]] (<chem>Mg_3N_2</chem>)
* [[アンモニア]] (<chem>NH_3</chem>)

=== その他の窒素化合物 ===
* [[三フッ化窒素]] (<chem>NF_3</chem>)
* [[三塩化窒素]] (<chem>NCl_3</chem>)
* [[三臭化窒素]] (<chem>NBr_3</chem>)
* [[三ヨウ化窒素]] (<chem>NI_3</chem>)
* [[クロラミン]] (<chem>NH_2Cl</chem>) , (<chem>NHCl_2</chem>)
* [[ヒドロキシルアミン]] (<chem>NH_2OH</chem>)

== 同位体 ==
{{Main|窒素の同位体}}

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Notelist2}}
=== 出典 ===
{{Reflist}}

== 関連項目 ==
* [[窒素飢餓]]
* [[窒素酔い]]
* [[ハーバー・ボッシュ法]]

== 外部リンク ==
{{Sisterlinks
 | n = no
}}
* [https://www.meti.go.jp/statistics/tyo/seidou/result/ichiran/08_seidou.html#menu5 『生産動態統計年報 化学工業統計編』][[経済産業省]]
* {{Kotobank}}

{{元素周期表}}
{{窒素の化合物}}
{{二原子分子}}
{{Normdaten}}

{{DEFAULTSORT:ちつそ}}
[[Category:窒素|*]]
[[Category:元素]]
[[Category:非金属元素]]
[[Category:ニクトゲン]]
[[Category:第15族元素]]
[[Category:第2周期元素]]