Nitơ là một phi kim, với độ âm điện là 3,04.[1] Nó có 5 điện tử trên lớp ngoài cùng, vì thế thường thì nó có hóa trị III trong phần lớn các hợp chất để đạt cơ cấu bền (8 điện tử hóa trị). Nitơ tinh khiết là một chất khí ở dạng phân tử không màu và chỉ tham gia phản ứng hóa học ở nhiệt độ phòng khi nó phản ứng với Liti. Nó hóa lỏng ở nhiệt độ 77 K (-196 °C) trong điều kiện áp suất khí quyển và đóng băng ở 63 K (-210 °C)[2] thành dạng thù hình có tinh thể lục phương đóng kín. Dưới 35,4 K (−237.6 °C) nitơ được cho là có thù hình của hệ lập phương (được gọi là pha alpha).[3] Nitơ lỏng, có dạng giống như nước, nhưng có tỷ trọng chỉ bằng 80,8% (tỷ trọng nitơ lỏng ở điểm sôi là 0,808 g/mL), là chất làm lạnh phổ biến.[4]

Các thù hình không bền của nitơ có hơn hai nguyên tử đã được tạo ra trong phòng thí nghiệm, như N3 và N4.[5] Trong điều kiện áp suất cực kỳ cao (1,1 triệu atm) và nhiệt độ cao (2000 K), khi tạo ra bằng diamond anvil cell, nitơ polymer hóa thành các cấu trúc tinh thể lập phương liên kết đơn. Cấu trúc này tương tự cấu trúc của kim cương, và cả hai có các liên kết cộng hóa trị cực mạnh. N4 còn có tên gọi là "kim cương nitơ".[6]

Các dạng thù hình khác (chưa tổng hợp được) bao gồm hexazine (N6, một vòng benzen)[7] và octaazacuban (N8, một cubane đơn).[8] Dạng nitơ 6 được dự đoán là không ổn định trong cao, trong khi dạng nitơ 8 được dự đoán là ổn định động học, vì sự đối xứng quỹ đạo.[9]

Đồng vị

Có hai đồng vị ổn định của nitơ là: 14N và 15N. Phổ biến nhất là 14N (99,634%), là đồng vị tạo ra trong chu trình CNO trong các ngôi sao.[10] Phần còn lại là 15N. Trong số 10 đồng vị tổng hợp nhân tạo thì 1 có chu kỳ bán rã là 9 phút còn các đồng vị còn lại có chu kỳ bán rã ở mức độ 1 giây hay nhỏ hơn.[11]

Các phản ứng trung gian sinh học (ví dụ: đồng hóa, nitrat hóa và khử nitrat) kiểm soát chặt chẽ cân bằng động của nitơ trong đất. Các phản ứng này gần như là tạo ra sự làm giàu 15N trong chất nền và làm suy kiệt sản phẩm.[12] Mặc dù nước mưa chứa các lượng tương đương amônium và nitrat, nhưng do amônium là tương đối khó chuyển hóa/hấp thụ hơn so với nitrat khí quyển nên phần lớn nitơ trong khí quyển chỉ có thể đi vào trong đất dưới dạng nitrat. Nitrat trong đất được các loại rễ cây hấp thụ tốt hơn so với khi nitơ ở dưới dạng amônium.

Một phần nhỏ (0,73%) của nitơ phân tử trong khí quyển Trái Đất là isotopologue 14N15N, và hầu hết phần còn lại là 14N2.[13]

Đồng vị phóng xạ 16N là thành phần hạt nhân phóng xạ chiếm ưu thế trong chất làm mát của các lò phản ứng hạt nhân nước áp lực hoặc lò phản ứng nước sôi ở chế độ vận hành bình thường. Nó được tạo ra từ 16O (trong nước) qua phản ứng (n,p). Nó có chu kỳ bán rã khoảng 7,1 giây,[11] nhưng trong khi nó phân rã ngược lại tạo ra 16O thì sinh ra tia phóng xạ gama năng lượng cao (5 đến 7 MeV).[11][14] Do đó, việc tiếp cận các ống dẫn chất làm lạnh sơ cấp trong lò phản ứng nước áp lực phải được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình vận hành lò phản ứng.16N là một trong những công cụ chính được dùng để nhận dạng nhanh các vụ rò rỉ thậm chí nhỏ từ chất làm lạnh sơ cấp đến chu trình hơi thứ cấp.[14]

Phổ điện từ

Nitơ phân tử (14N2) phần lớn có quang phổ trong suốt đến hồng ngoại và nhìn thấy do nó là một phân tử cấu tạo bởi cùng hạt nhân và do đó, không có môment lưỡng cực để kết hợp với bức xạ điện tự ở các bước sóng này. Sự hấp thụ đáng kể xảy ra ở các bước sóng siêu cực tím,[15] bắt đầu vào khoảng 100 nm. Điều này liên quan với sự chuyển tiếp điện tử trong phân tử sang các trạng thái tích điện không được phân bố thậm chí giữa các nguyên tử nitơ. Sự hấp thụ nitơ dẫn đến sự hấp thụ đáng kể các bức xạ cực tím trong thượng tầng khí quyển và khí quyển của các hành tinh khác. Vì các lý do tương tự, các tia laser nitơ phân tử tinh khiết đặc biệt phát xạ ánh sáng trong dải cực tím.

Phản ứng

Nhìn chung, nitơ không hoạt động ở điều kiện nhiệt độ và áp suất chuẩn. Nitơ phản ứng với nguyên tố lithi. Lithi cháy trong không khí có N2 tạo ra lithi nitrua:[16]

Magiê cũng cháy trong nitơ tạo ra magiê nitrua.[cần dẫn nguồn]

N2 tạo thành nhiều sản phẩm cộng với các kim loại chuyển tiếp như [Ru(NH3)5(N2)]2+ (xem hình). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phối tử N2 thu được bằng cách phân hủy hydrazin, và không phối với đi nitơ tự do. Các hợp chất này hiện có rất nhiều như IrCl(N2)(PPh3)2, W(N2)2(Ph2PCH2CH2PPh2)2, and [(η5-C5Me4H)2Zr]2(μ2, η2,η2-N2). Các phức này minh hoạ bằng cách nào N2 có thể kết hợp với các kim loại trong các enzym nitrogenase và xúc tác cho quá trình Haber.[17] Quá trình xúc tác để khử N2 thành ammoniac bằng cách sử dụng phức molybden với sự có mặt của nguồn proton được công bố năm 2005.[16]