氮（Nitrogen）是元素周期表第 7 号元素，符号 N，原子量 14.01。它是空气的主体（体积占比 78%）、生命的基础（氨基酸→蛋白质→DNA 都含氮），也是现代工业用量最大的工业气体。
原子与分子结构
电子排布：1s² 2s² 2p³ → 价层 5 个电子，易得 3 个形成 ‑3 价，也易共价叁键。
N≡N 键能 945 kJ mol⁻¹，远高于 O=O（498）或 C–C（348），因此 N₂ 在常温下“惰性”十足。
同位素：¹⁴N（99.6%）、¹⁵N（0.4%）；¹⁵N 是核磁和生态示踪的“黄金标签”。
物理与化学性质
三相点：63 K（–210 °C）/ 12.5 kPa；临界温度 126 K，极难液化（需高压+低温）。
常见氧化态：–3（NH₃、胺）、–2（N₂H₄）、–1（NH₂OH）、0（N₂）、+1（N₂O）、+2（NO）、+3（HNO₂）、+4（NO₂）、+5（HNO₃）。
高温或等离子下“惰性”消失：N₂ + O₂ ⇌ 2NO（闪电/内燃机），是天然固氮的第一步。
自然界循环与人工制备
生物固氮：根瘤菌的固氮酶在常温常压把 N₂→NH₃，年固氮量 ≈ 2 亿吨。
Haber-Bosch（哈伯法）：N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃，450–550 °C、15–25 MPa、Fe 或 Ru 基催化剂；全球年产量 1.8 亿吨，支撑 50% 人口粮食，却消耗 2% 世界能源、排放 3 亿吨 CO₂。
空分装置：低温精馏或变压吸附（PSA）制取高纯 N₂（99.999%），用于电子、食品、化工保护气。
应用领域
农业：尿素、硝酸铵、磷酸二铵，占全球氮素下游 80%。
食品：液氮速冻 –196 °C，锁鲜、减少冰晶；包装充氮防氧化。
电子/芯片：高纯 N₂ 作为吹扫、保护、输送气体，12 nm 以下节点单厂月耗 5000 t。
材料：
– 氮化硅 Si₃N₄（陶瓷轴承、手机背板、航天透波窗）；
– 氮化镓 GaN（5G 基站、快充头、射频功放、蓝光 LED）；
– 立方氮化硼 c-BN（硬度仅次于金刚石，耐高温 1400 °C）。
医疗：N₂O 镇痛麻醉；液氮冷冻疣、保存干细胞、胚胎。
能源/交通：液氮低温发动机（Cryo-motor）与压缩空气储能耦合，零碳排放示范。
前沿热点
绿色合成氨：
– 电化学 Haber（常温常压，水溶液里 N₂ + 3H₂O → 2NH₃ + 1.5O₂）；
– 光催化、等离子体催化、金属–氮化物（Li/Ni, Mo）循环。
仿生固氮：解析固氮酶 FeMo-co 结构，合成可溶分子催化剂，目标“室温、水相、太阳能驱动”。
氮化二维材料：
– 石墨烯“氮掺杂”提升氧还原活性；
– 单层氮化碳 C₃N₄ 光裂解水制氢；
– h-BN“白石墨烯”介电屏蔽、量子发光单光子源。
氮循环与气候：过量 NH₃/NOx 造成 PM₂.₅、N₂O 温室效应是 CO₂ 的 298 倍（100 年尺度），欧盟“Farm to Fork”要求 2030 年化肥减量 20%。
火星原位资源：MAVEN 数据显示火星大气 2.7% N₂；NASA MOXIE 后续计划试验“固氮”制 NH₃ 作为基地燃料或肥料。