Dušik je kemični element s simbolom N in atomskim številom 7. Prvič ga je leta 1772 odkril in izoliral škotski zdravnik Daniel Rutherford. Čeprav sta Carl Wilhelm Scheele in Henry Cavendish to storila neodvisno približno istočasno, je Rutherford na splošno zasluži medaljo, ker je bilo njegovo delo objavljeno najprej. Ime nitrogène je leta 1790 predlagal francoski kemik Jean-Antoine-Claude Chaptal, ko je bilo ugotovljeno, da je dušik prisoten v dušikovi kislini in nitratih. Antoine Lavoisier je namesto tega predlagal ime azote iz "brez življenja", saj gre za dušljiv plin; nastopa tudi v imenih nekaterih dušikovih spojin, kot so hidrazin, azidi in azo spojine.
Dušik je najlažji član skupine 15 periodnega sistema. Je pogost element v vesolju, ocenjen na približno sedmo mesto v številčnosti v Rimski cesti in Osončju. Pri standardni temperaturi in tlaku, se dva atoma elementa vežeta v dvoatomski dušik (dinitrogen), plin brez barve in vonja s formulo N2.. Dušik v tej obliki predstavlja približno 78% zemeljske atmosfere, zaradi česar je najbolj razširjen nespojen element. Dušik se pojavlja v vseh organizmih, predvsem v aminokislinah (in s tem beljakovinah), v nukleinskih kislinah ( DNA in RNA) in v ATP, molekuli za prenos energije adenozin trifosfat. Človeško telo vsebuje približno 3 mas.% dušika, ki je četrti najbolj razširjen element v telesu za kisikom, ogljikom in vodikom. Dušikov cikel opisuje gibanje elementa iz zraka, v biosfero in organske spojine, nato pa nazaj v ozračje.
Številne industrijsko pomembne spojine, kot so amonijak, dušikova kislina, organski nitrati (pogonska goriva in eksplozivi ) in cianidi, vsebujejo dušik. Izredno močna trojna vez v elementarnem dušiku (N≡N), druga najmočnejša vez v kateri koli dvo-atomski molekuli razen ogljikovega monoksida (CO), Common Bond Energies (D) and Bond Lengths (r). wiredchemist.com prevladuje v kemiji dušika. To organizmom in industriji povzroča težave pri pretvorbi N2 v uporabne spojine, hkrati pa pomeni, da izgorevanje, eksplozija ali razgradnja dušikovih spojin v dušikov plin sprošča velike količine pogosto koristne energije. Sintetično proizvedeni amonijak in nitrati so ključna industrijska gnojila, nitrati v gnojilih pa ključni krivci za evtrofikacijo vodnih sistemov.
Poleg uporabe v gnojilih in kot zaloga energije je dušik najti v tako raznolikih organskih spojinah, kot je kevlar, ki se uporablja v tkaninah z visoko trdnostjo, in cianoakrilat, znan kot sekundno lepilo. Dušik je v vseh glavnih farmakoloških razredih zdravil, med drugim v antibiotikih. Številna zdravila posnemajo naravne signalne molekule, ki vsebujejo dušik: na primer organska nitrata nitroglicerin in nitroprusid nadzorujeta krvni tlak s presnavljanjem v dušikov oksid. Številne omembe vredne droge, ki vsebujejo dušik, kot so naravni kofein in morfij ali sintetični amfetamini, delujejo na receptorje živalskih nevrotransmiterjev.
Zgodovina levo|sličica|Daniel Rutherford, odkritelj dušika Dušikove spojine imajo zelo dolgo zgodovino. Amonijev klorid je poznal že Herodot. Dobro jih je poznal tudi srednji vek. Alkimisti so dušikovo kislino poznali kot aqua fortis (močno vodo), pa tudi druge dušikove spojine, kot so amonijeve soli in nitratne soli. Mešanica t.i. solitrne in solne kisline je bila znana kot aqua regia (kraljevska voda), slavna zaradi svoje sposobnosti raztopiti tudi kralja kovin, zlato. Greenwood and Earnshaw, pp. 406–07
Odkritje dušika pripisujejo škotskemu zdravniku leta 1772, ki ga je imenoval škodljiv zrak. Rutherford, Daniel (1772) "Dissertatio Inauguralis de aere fixo, aut mephitico" (Inaugural dissertation on the air [called] fixed or mephitic), M.D. dissertation, University of Edinburgh, Scotland. Čeprav je ni prepoznal kot povsem drugačno kemično snov, jo je jasno ločil od "fiksnega zraka" Josepha Blacka ali ogljikovega dioksida. Aaron J. Ihde, The Development of Modern Chemistry, New York 1964. Rutherfordu je bilo jasno, da gre za sestavino zraka, ki ne podpira zgorevanja, čeprav se ni zavedal, da gre za element. Dušik so približno ob istem času preučevali tudi Carl Wilhelm Scheele, Carl Wilhelm Scheele, Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer [Chemical treatise on air and fire] (Upsala, Sweden: Magnus Swederus, 1777; and Leipzig, (Germany): Siegfried Lebrecht Crusius, 1777). Henry Cavendish, in Joseph Priestley, ki sta ga označevala kot zgoreli zrak ali flogiziran zrak. Francoski kemik Antoine Lavoisier je plin iz dušika imenoval "mefitski zrak" ali azot iz grške besede (azotikos), "brez življenja", ker je večinoma inerten. Lavoisier, Antoine with Robert Kerr, trans., Elements of Chemistry, 4th ed. V ozračju čistega dušika so živali poginjale in plamen je ugasnil. Čeprav Lavoisierjevega naziva v angleščini niso sprejeli, saj je bilo jasno, da so skoraj vsi plini (dejansko je edina izjema jasno kisik) mefitski, njegov pomen uporablja vrsta jezikov -francoščina, italijanščina, portugalščina, poljščina, ruščina, albanščina in ne nazadnje slovenščina.
Angleško ime nitrogen (1794) izhaja iz francoskega nitrogèna, ki ga je leta 1790 skoval francoski kemik Jean-Antoine Chaptal (1756–1832), Chaptal, J. A. and Nicholson, William trans. (1800) Elements of Chemistry, 3rd ed. ki je združil francoski nitrat ( kalijev nitrat, imenovan tudi salitra, baš soliter ) in francosko končnico -gène, "proizvaja", iz grščine -γενής (-genes, "rojen"). Chaptalov je s tem hotel poudariti, da je dušik bistveni del dušikove (solitrne) kisline, ki se dela iz solitra. V prejšnjih časih so niter napačno enačili z egiptovskim "natronom" ( natrijevim karbonatom) - v grščini se imenuje νίτρον (nitron) - ki kljub imenu z nitro/solitrom ni imel nič skupnega. nitrogen.
Najzgodnejša vojaško, industrijsko in kmetijsko uporabljena dušikova spojina je bil soliter ( natrijev nitrat ali kalijev nitrat), predvsem v smodniku in kasneje kot gnojilo. Leta 1910 je Lord Rayleigh odkril, da je pri električnem praznjenju v dušikovem plinu nastajal "aktivni dušik", enoatomski alotrop dušika. Strutt, R. J. (1911) "Bakerian Lecture. "Vrteči se oblak briljantno rumene svetlobe", ki ga je ustvaril njegov aparat, je reagiral z živim srebrom v eksploziven živosrebrni nitrid. Lord Rayleigh's Active Nitrogen .
Dolgo časa so bili viri dušikovih spojin omejeni. V naravi izvirajo bodisi iz biologije bodisi iz nahajališč nitratov, pridobljenih z reakcijami v ozračju. Fiksiranje dušika z industrijskimi procesi, kot sta procesa Frank-Caro (1895–1899) in Haber – Bosch (1908–1913), je zmanjšalo to pomanjkanje dušikovih spojin, tako da polovica svetovne proizvodnje hrane zdaj temelji na sintetičnih dušikovih gnojilih. Hkrati je Ostwaldov postopek (1902) za proizvodnjo nitratov z industrijsko fiksacijo dušika omogočil obsežno industrijsko proizvodnjo nitratov kot surovine za proizvodnjo eksplozivov v svetovnih vojnah 20. stoletja.
Lastnosti desno|sličica| Oblike petih zasedenih orbital v dušiku. Barvi prikazujeta fazo ali znak valovne funkcije v območju.Od leve proti desni: 1s, 2s (prerez za prikaz notranje strukture), 2p x, 2p y, 2p z. Atom dušika ima sedem elektronov. V osnovnem stanju so razporejeni v elektronski konfiguraciji 1s2s2p2p2p.. Ima torej pet valentnih elektronov v 2s in 2p orbitali, od katerih so trije (p-elektroni) brez para. Med elementi ima eno od najvišjih elektronegativnosti (3,04 po Paulingovi lestvici), višjo imajo le klor (3,16), kisik (3,44) in fluor (3,98). (Lahki žlahtni plini, helij, neon in argon bi bili verjetno tudi bolj elektronegativni, dejansko po Allenovi lestvici. ) Greenwood and Earnshaw, pp. 411–12 Po periodičnih trendih je njegov kovalentni polmer za enojno vez 71 pm manjši od vrednosti za bor (84 pm) in ogljik (76 pm), večji pa polmerov kisika (66 pm) in fluora (57 pm). Nitridni anion, N 3−, je z 146 pm veliko večji, podobno kot velja za aniona oksid (O 2− : 140 pm) in fluorid (F-: 133 pm). Prve tri ionizacijske energije dušika so 1.402, 2.856 in 4.577 MJ.mol−1, vsota četrtega in petega pa 16.920 MJ.mol -1. Zaradi teh zelo visokih vrednosti dušik ne pozna enostavne kationske kemije. Greenwood and Earnshaw, p. 550
V prvi vrstici p-bloka, zlasti pri dušiku, kisiku in fluoru, je pomanjkanje radialnih vozlišč v podlupini 2p neposredno odgovorno za številne anomalne lastnosti Podlupina 2p je zelo majhna in ima zelo podoben radij kot lupina 2s, kar olajšuje orbitalno hibridizacijo. Posledica so tudi zelo velike privlačne sile med jedrom in valenčnimi elektroni v 2s in 2p lupinah, kar je razlog za zelo visoke elektronegativnosti. Iz istega razloga je hipervalenca pri elementih 2p skoraj neznana, ker velika elektronegativnost otežuje majhnemu atomu dušika, da bi igral vlogo centralnega atoma z elektroni bogate tro-središčne vezi štirih elektronov - elektrone bi premočno privlačil nase. Kljub temu, da je dušik na čelu skupine 15 v periodnem sistemu, njegova kemija kaže velike razlike v primerjavi s kemijo fosforja, arzena, antimona in bizmuta.
Dušik lahko koristno primerjamo z sosedoma levo in desno, ogljikom in kisikom ter vertikalnimi sosedi v stolpcu, ki nos njegovo ime, s fosforjem, arzenom, antimonom in bizmutom. Čeprav ima vsak element periode 2 od litija do kisika nekaj podobnosti z elementom periode 3 v naslednji skupini (od magnezija do klora; podobnosti, znane kot diagonalna razmerja ), njihova jakost od para bor-silicij dalje pade. Podobnosti dušika in žvepla so večinoma omejene na obročne spojine žveplovega nitrida, če sta oba elementa edina prisotna. Greenwood and Earnshaw, pp. 412–16
Dušik nagnjenosti ogljika za ustvarjanje verig ne deli.Tako kot ogljik tudi dušik s kovinami tvori ionske ali kovinske spojine. Dušik z ogljikom tvori obsežen niz nitridov, med drugim spojine z verižnimi, grafitičnimi in fulerenskimi strukturami.
Z visoko elektronegativnostjo in sočasno zmožnostjo vodikove vezi ter zmožnostjo tvoriti koordinacijske komplekse (z darovanjem svojih osamljenih parov elektronov) spominja na kisik. Obstaja nekaj vzporednic med kemijo amonijaka NH3 in vode H2O. Na primer, sposobnost obeh spojin, da se protonirata in tvorita NH4+ oziroma H3O+ ali pa deprotonirata, v NH2- in OH- - in vse to je mogoče izolirati v trdnih spojinah.
Dušik deli z obema vodoravnima sosedoma nagnjenost tvoriti več vezi, običajno z ogljikovimi, kisikovimi ali drugimi dušikovimi atomi, s pπ – pπ interakcijami. Greenwood and Earnshaw, pp. 412–16 Tako se dušik na primer pojavlja kot dvoatomske molekule in ima zato zelo nižje tališče (-210 ° C) in vrelišče (-196 ° C) kot ostali del njegove skupine, ker molekule držijo skupaj le šibke van der Waalsove sile in je za nastanek znatnih trenutnih dipolov na razpolago zelo malo elektronov. To pri vertikalnih sosedih ni mogoče; tako dušikovi oksidi, nitriti, nitrati, nitro-, nitrozo-, azo- in diazo- spojine, azidi, cianati, tiocianati in imino- derivati ne najdejo posnemovalcev v fosforju, arzenu, antimonu ali bizmutu. Na enak način pa kompleksnost fosforjevih oksokislin ne najde odmeva pri dušiku. Ne glede na razlike dušik in fosfor tvorita obsežno družino medsebojnih spojin z verižno, obročasto in kletkasto strukturo.
Izotopi desno|sličica| Tabela nuklidov od ogljika do fluora, z dušikom. Oranžna barva označuje emisijo protona; roza za emisijo pozitrona (inverzni razpad beta); črna za stabilne nukleide; modra za emisijo elektronov (beta razpad); in vijolična za emisijo nevtronov.. Število protonov se veča navpično, število nevtronov vodoravno Dušik ima dva stabilna izotopa : 14N in 15N. Prvi je veliko bolj pogost, saj predstavlja 99,634% naravnega dušika, drugi (ki je nekoliko težji) pa preostalih 0,366%. To vodi do atomske teže okoli 14.007 u. Greenwood and Earnshaw, pp. 411–12 Oba stabilna izotopa nastajata v ciklusu CNO v zvezdah, vendar je 14N pogostejši, saj je nevtronski zajem korak, ki hitrost omejuje. 14N je eden od petih stabilnih nenavadnih nuklidov (nuklid z neparnim številom protonov in nevtronov); preostali štirje so 2H, 6Li, 10B in 180mTa.