一道氧化態的階梯，一級隔著一級
到現在，你已經見過氮的兩個極端：作為氨 NH3，它處在[[oxidation-state|氧化態]] -3，因為它從電負性更小的氫那裡奪來了相當於三個電子的鍵；以及作為哈伯-博施故事裡那個出了名地高冷的 N2，形式上處在 0。讓氮的化學如此豐富的，正是這兩者*之間*與*之上*的一切。氮有五個價電子（2s2 2p3），又有一個又小又電負的核心，因此它能從容地處在 -3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4、+5——幾乎集齊了一整套整數氧化態，而氧正是那個領著它一級級爬上階梯正半段的夥伴。
nitrogen's oxidation-state ladder (oxygen side) +5 N2O5 HNO3 / nitrate NO3- <- top of the ladder +4 NO2 , N2O4 +3 N2O3 HNO2 / nitrite NO2- +2 NO +1 N2O (laughing gas) 0 N2 <- the inert anchor -3 NH3 / ammonium NH4+ (the other end) oxide and oxoacid at the SAME rung are close cousins: N2O3 + H2O -> 2 HNO2 (+3) N2O5 + H2O -> 2 HNO3 (+5)
氮的氧化物：奇數電子與一團棕霧
從階梯中段開始，那裡住著[[nitrogen-oxides|氮的氧化物]]。一氧化氮 NO（+2）和二氧化氮 NO2（+4）有一個你在成鍵那一階梯初次見到的怪癖：兩者的電子總數都是*奇數*，使它們成了帶一個未成對電子的[[odd-electron-molecules|自由基]]。NO 有 11 個價電子；你根本沒法把它們兩兩配對，於是它的分子軌域圖像裡有一個孤零零的電子待在一條反鍵 pi 軌域上。這正是為什麼對這些分子你永遠畫不出一個讓自己滿意的、整齊的八隅律路易斯結構——也正是它們如此活潑的原因。自由基是化學界躁動的單身漢，總在尋覓配對。
因為 NO2 是自由基，它就做躁動單身漢會做的事：配對。兩個 NO2 分子把各自孤獨的電子併成一根鍵，得到無色的二聚體 N2O4（四氧化二氮）。兩者處在一個對溫度敏感的平衡裡：2 NO2（棕色）<=> N2O4（無色）。把一支密封管加熱，它就變深成巧克力棕，因為 NO2 佔了上風；把它冷卻，顏色便褪去，因為 N2O4 佔了上風——這是勒夏特列原理活生生的課堂演示。那種棕色的 NO2，正是你在車流壅塞的城市上空看到的那種顏色：氮氧化物（合寫作 NOx）是內燃機的呼吸，當發動機裡爐膛般的高溫逼著空氣裡本來對彼此不理不睬的 N2 和 O2 反應時，它們便誕生了。
在正氧化態階梯的最底層，坐著那個溫和的：一氧化二氮 N2O（+1），更廣為人知的名字是笑氣。它是直線形的（N-N-O），在室溫下出奇地不活潑，是一種溫和的麻醉劑、一種打發奶油的噴射劑——而不那麼討喜的是，它還是一種溫室氣體，單個分子的效力約為 CO2 的 300 倍，其中大量來自施肥過度的農田土壤。注意這跨度：同樣是氮和氧兩種元素，在 +1 給出一種昏昏欲睡的麻醉劑，在 +2 給出一種無色的自由基，在 +4 給出一種令人窒息的棕色污染物。這裡的氧化態絕不只是個標籤——它實實在在地塑造了分子的性格。
煙霧、酸雨，與大氣的兩副面孔
跟著 NOx 走出排氣管、進入空氣，你會發現氮那份氧化還原的躁動正在造成實實在在的破壞。在陽光下，NO2 會發生光解——光把它劈成 NO 加一個自由的氧原子——而那個鬆脫的氧原子會抓住一個 O2 分子生成臭氧 O3。在街道層面，臭氧是一種刺激肺部的物質，是光化學煙霧那股辛辣的嗆味。殘酷的諷刺在於：同樣的 NOx 既幫著生成霧霾，又幫著生成那把霧霾擦掉的臭氧，在一座悶熱城市的上空上演著一團由光驅動的自由基反應的亂麻。那把發動機暖熱起來的化學，最終改寫了一整座城市所呼吸的空氣。
沿階梯再往上，NO2 會在雲滴裡溶解並被氧化，一路變成硝酸 HNO3，它是酸雨兩大元兇之一（另一個是來自二氧化硫的硫酸——你將在氧族那幾篇指南裡見到它）。酸化的雨水會從土壤裡淋洗掉養分和鋁，使湖泊酸化，並侵蝕雕像與教堂的碳酸鈣。在汽車上的對策是[[catalytic-converter|催化轉化器]]，一件巧妙的無機催化裝置：在鉑-銠表面上，它把 NOx 還原回無害的 N2，同時把未燃盡的燃料和 CO 氧化掉。說白了，它就是一個螺接在車底的小反應器，全部工作就是把氮重新沿著它在發動機裡被逼著爬上去的那道氧化階梯趕下來。
兩種含氧酸：亞硝酸（+3）與硝酸（+5）
兩種著名的[[oxoacids-of-nitrogen|氮的含氧酸]]坐落在 +3 和 +5 這兩級上。亞硝酸 HNO2（+3）又弱又不穩定——你沒法把它裝瓶；只能在低溫下、在溶液裡、用時現配，通常是把一種亞硝酸鹽酸化得到。由於 +3 態的氮夾在硝酸的 +5 與更低的氧化物之間，亞硝酸是一個化學上的騎牆派：它既可當氧化劑、又可當還原劑，全看對手是誰，而且它很容易發生[[disproportionation|歧化反應]]——同一種元素同時裂成一個更高態和一個更低態：3 HNO2 -> HNO3 + 2 NO + H2O。在這裡，+3 的氮同時分解成 +5（在 HNO3 裡）與 +2（在 NO 裡）——同一個氧化態把自己的一部分往上推、一部分往下壓。
硝酸 HNO3（+5）才是重量級選手：一種強酸，在水裡完全電離，給出 H+ 和硝酸根離子 NO3-。硝酸根離子是共振的一個小小勝利——一個扁平的平面三角形離子，其中負電荷與 pi 鍵被均勻地塗抹在三根等價的 N-O 鍵上，於是這三根鍵完全相同，介於單鍵與雙鍵之間。正是這種對稱的離域，使硝酸根如此穩定、如此豐富。但濃硝酸還戴著第二頂帽子，遠比它的酸性更危險：它是一種強[[oxidizing-and-reducing-agents|氧化劑]]。它能溶解銅和銀——這些金屬是 HCl 之類單純的強酸碰不動的——靠的不是通常那條釋放氫氣的路線，而是氮本身被還原，在它沿階梯跌回 NO2 或 NO 的過程中，從金屬裡把電子拽出來。
從這股氧化能力，衍生出兩個著名的怪癖。把濃硝酸和鹽酸按三比一混合，你得到王水（「王者之水」），它連金和鉑都能溶解——硝酸把金屬氧化，而氯離子則把生成的陽離子箍成氯配合物，把反應往前拉。可弔詭的是，極濃的硝酸*不*溶解鐵或鋁：它把它們的表面氧化得太猛太快，反倒長出一層薄而緻密的保護性氧化皮——鈍化——把金屬封了起來。那同一種試劑，能吞噬銅，卻被一片鋁悄悄擋了回去。反應性，再一次，充滿了誠實的意外。
奧斯特瓦爾德法：氨進去，硝酸出來
工業硝酸從哪裡來？來自氨——所以歸根結底，來自空氣。[[ostwald-process|奧斯特瓦爾德法]]是人類對氮循環那場兩階段大征服的下半場：哈伯-博施法先把惰性的 N2 摁成 -3 態的氨，奧斯特瓦爾德法再把那氮一路領上階梯，直到硝酸裡的 +5。它乾淨俐落地證明了：只要有合適的催化劑和條件，你可以有意地爬完整道氧化階梯。在腦子裡把這個過程倒過來看，它無非就是氧把氨氧化，只不過被精心地分段安排，讓它停在硝酸，而不是失控地一路跑到普通的 N2。
- 在約 850°C 的熱鉑-銠網上，讓氨在空氣中燃燒極短的一瞬：4 NH3 + 5 O2 -> 4 NO + 6 H2O。催化劑和那極短的接觸時間正是訣竅——它們把氮哄到 +2（NO），又恰好攔住它，不讓它跑到 N2。
- 把氣體冷卻，讓 NO 遇上更多的氧：2 NO + O2 -> 2 NO2。氮如今已從 +2 爬到了 +4。這一步偏愛較低的溫度，所以冷卻反倒幫了它的忙。
- 在還有更多氧氣的情況下，讓 NO2 被水吸收：4 NO2 + O2 + 2 H2O -> 4 HNO3。氮抵達最高一級 +5，硝酸就出來了——通常是一種約六十幾個百分點的溶液，可供進一步濃縮。
盯著這三步裡的攀登：氮走的是 -3（氨）-> +2（NO）-> +4（NO2）-> +5（HNO3）。每一步都是氧化，每一回都由氧來抬升，而一套巧妙的溫度級聯加上一種貴金屬催化劑，使反應穩穩地一直爬到最高一級，而不會衝過頭。它是有史以來最優雅的工業流程之一，是把純粹的氧化態記帳，在不鏽鋼的塔裡變成了血肉。
化肥與炸藥：硝酸根的雙重人生
為什麼要把那麼多工業心血都傾注在製造硝酸上？因為你用它做出來的東西，養活並武裝著整個世界。讓硝酸與氨反應，你就得到硝酸銨 NH4NO3——單單一種鹽，卻同時攜帶著氮那兩種有生物用途的形態（植物吸收的 +5 硝酸根，以及 -3 的銨）。它是現代農業大半江山背後那匹任勞任怨的主力化肥；今天人體裡相當大一部分蛋白質所含的氮原子，都曾穿過一座奧斯特瓦爾德塔。把氮肥從世界上抽走，作物產量就會崩塌。這是氮的氧化還原化學那張默默養活世界的面孔。
可正是這同一種分子，有一個暴烈的孿生兄弟。硝酸銨在同一顆晶體裡同時攜帶著可氧化別人的硝酸根（+5）和可被還原的銨（-3）——燃料與氧化劑被塞進了一種化合物裡。把它引爆，兩半便爭相奔向中間會合，朝著穩定的 N2 與水坍縮，幾乎在一瞬間釋放出大量灼熱的氣體：這正是炸藥之所以是炸藥。NH4NO3 既是頂級化肥，又是臭名昭著的爆破劑（也是好幾起災難性意外爆炸的肇因）。同樣的邏輯也支撐著硝化甘油和 TNT：把一個燃料和一個高氧化態的硝基緊緊塞在一起，爆轟，就是那場在熱力學上極其巨大、在動力學上極其驟然的、朝著氮始終暗暗渴望成為的惰性 N2 的縱身一跌。
退一步看，整篇指南講的是同一個故事。氮那極其寬廣的氧化態範圍，恰恰正是它既如此有用、又如此危險的原因：它把化學能儲存起來的方式，是被違背意願地摁在一個高氧化態上，遠離 N2 那口深深的熱力學勢阱。N2 的三鍵是化學中最強的鍵之一，所以但凡氮能跌回到它，就會釋放出大量能量——在催化轉化器裡溫柔地釋放，在化肥廠裡富有成效地釋放，在爆炸中災難性地釋放。掌握了這道氧化態的階梯，煙霧、雨、笑氣、化肥和炸彈，到頭來全是同一套化學，只不過是以不同的速度被讀出來罷了。