一道氧化态的阶梯，一级隔着一级
到现在，你已经见过氮的两个极端：作为氨 NH3，它处在[[oxidation-state|氧化态]] -3，因为它从电负性更小的氢那里夺来了相当于三个电子的键；以及作为哈伯-博施故事里那个出了名地高冷的 N2，形式上处在 0。让氮的化学如此丰富的，正是这两者*之间*与*之上*的一切。氮有五个价电子（2s2 2p3），又有一个又小又电负的核心，因此它能从容地处在 -3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4、+5——几乎集齐了一整套整数氧化态，而氧正是那个领着它一级级爬上阶梯正半段的伙伴。
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：奇数电子与一团棕雾
从阶梯中段开始，那里住着[[nitrogen-oxides|氮的氧化物]]。一氧化氮 NO（+2）和二氧化氮 NO2（+4）有一个你在成键那一阶梯初次见到的怪癖：两者的电子总数都是*奇数*，使它们成了带一个未成对电子的[[odd-electron-molecules|自由基]]。NO 有 11 个价电子；你根本没法把它们两两配对，于是它的分子轨道图像里有一个孤零零的电子待在一条反键 pi 轨道上。这正是为什么对这些分子你永远画不出一个让自己满意的、整齐的八隅律路易斯结构——也正是它们如此活泼的原因。自由基是化学界躁动的单身汉，总在寻觅配对。
因为 NO2 是自由基，它就做躁动单身汉会做的事：配对。两个 NO2 分子把各自孤独的电子并成一根键，得到无色的二聚体 N2O4（四氧化二氮）。两者处在一个对温度敏感的平衡里：2 NO2（棕色）<=> N2O4（无色）。把一支密封管加热，它就变深成巧克力棕，因为 NO2 占了上风；把它冷却，颜色便褪去，因为 N2O4 占了上风——这是勒夏特列原理活生生的课堂演示。那种棕色的 NO2，正是你在车流壅塞的城市上空看到的那种颜色：氮氧化物（合写作 NOx）是内燃机的呼吸，当发动机里炉膛般的高温逼着空气里本来对彼此不理不睬的 N2 和 O2 反应时，它们便诞生了。
在正氧化态阶梯的最底层，坐着那个温和的：一氧化二氮 N2O（+1），更广为人知的名字是笑气。它是直线形的（N-N-O），在室温下出奇地不活泼，是一种温和的麻醉剂、一种打发奶油的喷射剂——而不那么讨喜的是，它还是一种温室气体，单个分子的效力约为 CO2 的 300 倍，其中大量来自施肥过度的农田土壤。注意这跨度：同样是氮和氧两种元素，在 +1 给出一种昏昏欲睡的麻醉剂，在 +2 给出一种无色的自由基，在 +4 给出一种令人窒息的棕色污染物。这里的氧化态绝不只是个标签——它实实在在地塑造了分子的性格。
烟雾、酸雨，与大气的两副面孔
跟着 NOx 走出排气管、进入空气，你会发现氮那份氧化还原的躁动正在造成实实在在的破坏。在阳光下，NO2 会发生光解——光把它劈成 NO 加一个自由的氧原子——而那个松脱的氧原子会抓住一个 O2 分子生成臭氧 O3。在街道层面，臭氧是一种刺激肺部的物质，是光化学烟雾那股辛辣的呛味。残酷的讽刺在于：同样的 NOx 既帮着生成雾霾，又帮着生成那把雾霾擦掉的臭氧，在一座闷热城市的上空上演着一团由光驱动的自由基反应的乱麻。那把发动机暖热起来的化学，最终改写了一整座城市所呼吸的空气。
沿阶梯再往上，NO2 会在云滴里溶解并被氧化，一路变成硝酸 HNO3，它是酸雨两大元凶之一（另一个是来自二氧化硫的硫酸——你将在氧族那几篇指南里见到它）。酸化的雨水会从土壤里淋洗掉养分和铝，使湖泊酸化，并侵蚀雕像与教堂的碳酸钙。在汽车上的对策是[[catalytic-converter|催化转化器]]，一件巧妙的无机催化装置：在铂-铑表面上，它把 NOx 还原回无害的 N2，同时把未燃尽的燃料和 CO 氧化掉。说白了，它就是一个螺接在车底的小反应器，全部工作就是把氮重新沿着它在发动机里被逼着爬上去的那道氧化阶梯赶下来。
两种含氧酸：亚硝酸（+3）与硝酸（+5）
两种著名的[[oxoacids-of-nitrogen|氮的含氧酸]]坐落在 +3 和 +5 这两级上。亚硝酸 HNO2（+3）又弱又不稳定——你没法把它装瓶；只能在低温下、在溶液里、用时现配，通常是把一种亚硝酸盐酸化得到。由于 +3 态的氮夹在硝酸的 +5 与更低的氧化物之间，亚硝酸是一个化学上的骑墙派：它既可当氧化剂、又可当还原剂，全看对手是谁，而且它很容易发生[[disproportionation|歧化反应]]——同一种元素同时裂成一个更高态和一个更低态：3 HNO2 -> HNO3 + 2 NO + H2O。在这里，+3 的氮同时分解成 +5（在 HNO3 里）与 +2（在 NO 里）——同一个氧化态把自己的一部分往上推、一部分往下压。
硝酸 HNO3（+5）才是重量级选手：一种强酸，在水里完全电离，给出 H+ 和硝酸根离子 NO3-。硝酸根离子是共振的一个小小胜利——一个扁平的平面三角形离子，其中负电荷与 pi 键被均匀地涂抹在三根等价的 N-O 键上，于是这三根键完全相同，介于单键与双键之间。正是这种对称的离域，使硝酸根如此稳定、如此丰富。但浓硝酸还戴着第二顶帽子，远比它的酸性更危险：它是一种强[[oxidizing-and-reducing-agents|氧化剂]]。它能溶解铜和银——这些金属是 HCl 之类单纯的强酸碰不动的——靠的不是通常那条释放氢气的路线，而是氮本身被还原，在它沿阶梯跌回 NO2 或 NO 的过程中，从金属里把电子拽出来。
从这股氧化能力，衍生出两个著名的怪癖。把浓硝酸和盐酸按三比一混合，你得到王水（“王者之水”），它连金和铂都能溶解——硝酸把金属氧化，而氯离子则把生成的阳离子箍成氯配合物，把反应往前拉。可吊诡的是，极浓的硝酸*不*溶解铁或铝：它把它们的表面氧化得太猛太快，反倒长出一层薄而致密的保护性氧化皮——钝化——把金属封了起来。那同一种试剂，能吞噬铜，却被一片铝悄悄挡了回去。反应性，再一次，充满了诚实的意外。
奥斯特瓦尔德法：氨进去，硝酸出来
工业硝酸从哪里来？来自氨——所以归根结底，来自空气。[[ostwald-process|奥斯特瓦尔德法]]是人类对氮循环那场两阶段大征服的下半场：哈伯-博施法先把惰性的 N2 摁成 -3 态的氨，奥斯特瓦尔德法再把那氮一路领上阶梯，直到硝酸里的 +5。它干净利落地证明了：只要有合适的催化剂和条件，你可以有意地爬完整道氧化阶梯。在脑子里把这个过程倒过来看，它无非就是氧把氨氧化，只不过被精心地分段安排，让它停在硝酸，而不是失控地一路跑到普通的 N2。
- 在约 850°C 的热铂-铑网上，让氨在空气中燃烧极短的一瞬：4 NH3 + 5 O2 -> 4 NO + 6 H2O。催化剂和那极短的接触时间正是诀窍——它们把氮哄到 +2（NO），又恰好拦住它，不让它跑到 N2。
- 把气体冷却，让 NO 遇上更多的氧：2 NO + O2 -> 2 NO2。氮如今已从 +2 爬到了 +4。这一步偏爱较低的温度，所以冷却反倒帮了它的忙。
- 在还有更多氧气的情况下，让 NO2 被水吸收：4 NO2 + O2 + 2 H2O -> 4 HNO3。氮抵达最高一级 +5，硝酸就出来了——通常是一种约六十几个百分点的溶液，可供进一步浓缩。
盯着这三步里的攀登：氮走的是 -3（氨）-> +2（NO）-> +4（NO2）-> +5（HNO3）。每一步都是氧化，每一回都由氧来抬升，而一套巧妙的温度级联加上一种贵金属催化剂，使反应稳稳地一直爬到最高一级，而不会冲过头。它是有史以来最优雅的工业流程之一，是把纯粹的氧化态记账，在不锈钢的塔里变成了血肉。
化肥与炸药：硝酸根的双重人生
为什么要把那么多工业心血都倾注在制造硝酸上？因为你用它做出来的东西，养活并武装着整个世界。让硝酸与氨反应，你就得到硝酸铵 NH4NO3——单单一种盐，却同时携带着氮那两种有生物用途的形态（植物吸收的 +5 硝酸根，以及 -3 的铵）。它是现代农业大半江山背后那匹任劳任怨的主力化肥；今天人体里相当大一部分蛋白质所含的氮原子，都曾穿过一座奥斯特瓦尔德塔。把氮肥从世界上抽走，作物产量就会崩塌。这是氮的氧化还原化学那张默默养活世界的面孔。
可正是这同一种分子，有一个暴烈的孪生兄弟。硝酸铵在同一颗晶体里同时携带着可氧化别人的硝酸根（+5）和可被还原的铵（-3）——燃料与氧化剂被塞进了一种化合物里。把它引爆，两半便争相奔向中间会合，朝着稳定的 N2 与水坍缩，几乎在一瞬间释放出大量灼热的气体：这正是炸药之所以是炸药。NH4NO3 既是顶级化肥，又是臭名昭著的爆破剂（也是好几起灾难性意外爆炸的肇因）。同样的逻辑也支撑着硝化甘油和 TNT：把一个燃料和一个高氧化态的硝基紧紧塞在一起，爆轰，就是那场在热力学上极其巨大、在动力学上极其骤然的、朝着氮始终暗暗渴望成为的惰性 N2 的纵身一跌。
退一步看，整篇指南讲的是同一个故事。氮那极其宽广的氧化态范围，恰恰正是它既如此有用、又如此危险的原因：它把化学能储存起来的方式，是被违背意愿地摁在一个高氧化态上，远离 N2 那口深深的热力学势阱。N2 的三键是化学中最强的键之一，所以但凡氮能跌回到它，就会释放出大量能量——在催化转化器里温柔地释放，在化肥厂里富有成效地释放，在爆炸中灾难性地释放。掌握了这道氧化态的阶梯，烟雾、雨、笑气、化肥和炸弹，到头来全是同一套化学，只不过是以不同的速度被读出来罢了。