Dusík (chemická značka N, nitrogenium) je plynný chemický prvek, tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty.
Objev a název V druhé polovině 18. století byla objevena složka vzduchu, která nepodporuje hoření ani dýchání. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777 a Francouz Antoine Lavoisier ho pojmenoval jako azote (tento název se používá např. ve francouzštině, ruštině (Азот) nebo polštině), což znamená 'dusivý plyn'. Poté, co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená 'ledkotvorný', který se udržel v latinském označení nitrogenium. Český název dusík vznikl překladem jeho německého názvu Stickstoff a pochází od Jana Svatopluka Presla;Václav Machek: Etymologický slovník jazyka českého. Praha 1971. („od Presla“, s. 135). podobné názvy jsou ještě např. ve slovenštině (dusík) nebo slovinštině a chorvatštině (dušik).
Vlastnosti Dusík je plyn bez barvy, chuti a zápachu. Není toxický ani jinak nebezpečný. Dusík je v atmosféře tvořen dvouatomovými molekulami, které jsou spojeny velmi pevnou trojnou vazbou. Tato trojná vazba má za následek jeho nízkou reaktivitu. Dusík je inertní plyn, to znamená, že reaguje s jinými chemickými sloučeninami pouze za vysokých teplot a tlaků. Za laboratorní teploty reaguje pouze s lithiem a hořčíkem. Za vysokých teplot se však dusík slučuje s většinou prvků – např. s kyslíkem okolo teploty 2 500 °C.
Naproti tomu atomární dusík je velmi reaktivní a nelze ho uchovávat. Jeho vysoká reaktivita spočívá v tom, že má ve valenční vrstvě 3 nepárové elektrony. Stability docílí tím, že buď přijme tři elektrony a vytvoří stabilní oktet ve valenční sféře N3−, nebo odevzdá až 5 elektronů a získá tím kladnou valenci, např. N1+, N3+ nebo N5+.
Dusík má po kyslíku a fluoru třetí nejvyšší hodnotu elektronegativity, a proto u něj převládá schopnost vytvářet aniont, který se nazývá nitridový N3−. Pouze ve sloučeninách s kyslíkem a fluorem je schopen tvořit ionty, kde se uplatňuje v kladné valenci. Například v dusičnanech má dusík oxidační číslo N5+.
Vazebné možnosti dusíku Pomocí přesunů elektronu je možné nalézt a vyjádřit určité mezní elektronové konfigurace valenční sféry atomů dusíku ve sloučeném stavu. Aby tedy dusík dosáhl max. záporného oxidačního stavu, musí přijmout tři elektrony. Aby dosáhl max. kladného oxidačního stavu 5, musí odtrhnout pět elektronů.
Kvůli své elektronegativitě dusík nemůže spontánně přesunout svou elektronovou hustotu z atomů při vytváření vazeb s jinými elektronegativnějšími prvky, ale zároveň není jeho elektronegativita dostatečně vysoká na "přetáhnutí" vazebných elektronů do valenční sféry při vazbě s elektropozitivními prvky. Z tohoto důvodu jsou atomy dusíku ve většině svých sloučenin zapojeny v kovalentních vazbách a jednoatomové ionty téměř netvoří.
Běžně se u dusíku vyskytují homonukleární vazby. V roce 2025 byla publikována příprava alotropu N6.
Díky vysoké pestrosti vazebných situací se dusík vyskytuje prakticky ve všech svých oxidačních stavech (−3 až 5).
Výskyt v přírodě
vpravo|náhled|Schéma koloběhu dusíku V elementární podobě se s dusíkem setkáváme prakticky neustále, tvoří totiž 78 % (objemových) zemské atmosféry. Ve stopách se v atmosféře vyskytuje také amoniak, který se uvolňuje tlením organických sloučenin a při elektrickém výboji (například blesku). Při blesku může také dojít v atmosféře k reakci dusíku s kyslíkem za vzniku oxidu dusnatého, který ihned reaguje s kyslíkem za vzniku oxidu dusičitého a ten reaguje s vzdušnou vlhkostí a kyslíkem za vzniku kyseliny dusičné, která se vyskytuje v kyselých deštích.
Vzhledem k rozpustnosti prakticky všech svých anorganických solí se téměř nevyskytuje v běžných horninách. Všechny tyto látky byly v průběhu času dávno spláchnuty do oceánů a tam se opět zapojily do různých biologických cyklů. Výjimkou je např. chilský ledek neboli dusičnan sodný NaNO3, který pravděpodobně vznikl rozkladem rostlinných a živočišných látek zejména na chilském pobřeží. Významným zdrojem organického dusíku jsou především objemné vrstvy ptačího trusu, nazývané guano a využívané především jako hnojivo.
Dusík je významný biogenní prvek, který se vyskytuje ve významných organických sloučeninách a ve všech živých organismech. Rostliny ho přijímají kvůli svému růstu a nevylučují ho. Živočichové ho využívají k tvorbě bílkovin a vylučují ho v podobě močoviny, amoniaku nebo kyseliny močové.
Příprava
Laboratorní příprava náhled|150px|vpravo|Nádrž s kapalným dusíkem, užívaná k plnění kryostatů Nejvýhodnější laboratorní příprava čistého dusíku se provádí zahříváním koncentrovaného roztoku dusitanu amonného nebo směsi roztoku chloridu a dusitanu amonného. Aby se odstranily stopy přimíšených oxidů dusíku, promývá se dusík směsí dichromanu draselného a kyseliny sírové. NH4NO2 → N2 + 2 H2O Často se ještě dusík v laboratoři připravuje vedením vzduchu přes rozžhavenou měď. Měď reaguje s kyslíkem a vzniká černý oxid měďnatý. Vzniklý dusík není úplně čistý, protože vzduch obsahuje okolo 1 % argonu a dalších vzácných a netečných plynů. Tomuto dusíku se říká atmosférický dusík. Další možná příprava dusíku v laboratoři, při které získáme obzvláště čistý dusík, je tepelný rozklad amoniaku. Při tomto postupu vedeme amoniak přes práškový nikl při teplotě 1 000 °C. Vodík poté od dusíku oddělíme na základě odlišných teplot varu.
Průmyslová výroba Dusík se dříve technicky připravoval vedením vzduchu přes rozžhavené uhlí nebo koks, čímž se kyslík spálí na oxid uhličitý. Oxid uhličitý se následně od dusíku odstraní promýváním ve vodě. Takto získaný dusík obsahuje okolo 1 % vzácných a dalších netečných plynů a nazývá se atmosférický dusík. Dusík se dnes prakticky výlučně vyrábí nízkoteplotní rektifikací zkapalněného vzduchu a tvoří přitom spíše přebytky při výrobě více žádaného kyslíku. Při postupném ochlazování nejprve dochází k oddělení kapalného CO2. Dále dochází ke zkapalnění kyslíku s dusíkem, případně ještě argonem. Hélium zůstává plynné a tím je ze směsi odděleno (vč. jiných vzácných plynů). Kapalná směs je pak dělena v rektifikační koloně. Představa o frakční destilaci vyučovaná na základních a středních školách je jen zjednodušením a má daleko k průmyslové realitě. Taková velkokapacitní výroba dusíku v rámci ČR je realizována např. v průmyslové zóně Litvínov-Záluží (areál spol. Unipetrol RPA). Kromě přímého expedování se přímo v areálu využívá např. k výrobě amoniaku a také jako důležitý prvek zajišťující bezpečnost umístěných chemických výrob.
Použití vpravo|náhled|Dusíková výbojka Amoniak a následně z něj vyrobená kyselina dusičná jsou látky, které se vyrábějí v chemickém průmyslu velmi mnoho. Amoniak hlavně jako hnojivo a chemická látka k výrobě dalších amonných a jiných sloučenin a kyselina dusičná jako významné oxidovadlo, které se používá i k dalším anorganickým a organickým syntézám.
Plynný dusík Plynný dusík nalézá využití jako inertní atmosféra např. v prostředí, kde hrozí nebezpečí výbuchu, pro svařování v inertní atmosféře (TIG), při výrobě integrovaných obvodů, nerezové oceli. Používá se také k plnění obalů, aby se výrobky nezmačkaly a nezvlhly – například brambůrky v sáčku.
Kapalný dusík
náhled|Balonek potopený do tekutého dusíku Kapalný dusík se využívá v řadě kryogenních procesů, při nichž je třeba udržet prostředí na značně nízké teplotě. Příkladem je uchovávání tkání nebo spermií a vajíček v lázni z kapalného dusíku. Kapalným dusíkem jsou chlazeny polovodičové detektory rentgenového záření v různých spektrometrických aplikacích. V medicíně se používá k místní nekrotizaci tkáně, například bradavic.
Pevný dusík Pevný dusík se používá ve směsi s kapalným pro rychlejší chlazení, např. při kryokonzervaci spermií. Také je využíván jako matrice pro studium a uchovávání nestabilních sloučenin, např. volných radikálů. Příkladem může být studium komplexů kovů s N2 ligandy.
Hnojiva Dusíkatá hnojiva jsou látky, které se rostlinám dodávají, aby rostly rychleji. Rostliny dusík nevylučují a plně ho využívají k růstu. Rostliny, které byly hnojeny nadbytkem hnojiv s obsahem dusíku, lze poznat podle dužnatých tkání křehkých dužnatých orgánů, velkých, sytě zelených, listů. Takové rostliny se snadno poškodí a také více trpí chorobami a škůdci.
Amoniak NH3 a jeho sloučeniny jsou jedním z nejvyužívanějších hnojiv v zemědělství. Plynný amoniak se v poslední době stává náhradou freonů v chladírenství. Amoniak se vyrábí přímou syntézou z plynů tzv. Haberovým–Boschovým procesem. Dusičnan amonný NH4NO3 je další často používané hnojivo bohaté na obsah dusíku. Dnes se však stejně jako síran amonný (NH4)2SO4 a dusíkaté vápno neboli kyanamid vápenatý CaCN2 využívá méně. Dusičnan amonný se také využívá k výrobě výbušnin, bengálských ohňů a samozápalných směsí. Močovina (NH2)2CO neboli diamid kyseliny uhličité se jako hnojivo v poslední době využívá stále více. Její výroba je nenáročná a velmi levná. Močovina se také používá k výrobě kopolymerů, jako jsou například močovinoformaldehydové pryskyřice.
Ostatní dusičnany, které se používají jako hnojiva, nejsou samy o sobě významné. Používají se hlavně ve směsi s dalšími látkami a vytváří tak komplexní hnojiva. Například dusičnan sodný NaNO3 a dusičnan draselný KNO3.
Použití dusíku je ale třeba zefektivnit, aby například nedocházelo ke zbytečnému znečišťování vod.
Výbušniny náhled|Pingpongové míčky vyrobené z nitrocelulózy Mimořádných oxidačních vlastností sloučenin dusíku s valencí N5+ se již od dávnověku využívá při výrobě explozivních látek. Již v starověké Číně byla známa výroba střelného prachu, jehož podstatnou složku tvoří dusičnan sodný nebo draselný. V současné době se v tomto oboru uplatňují spíše organické sloučeniny, ať již jde o nitroglycerin nebo trinitrotoluen (TNT).
Další použití Jako paliva raketových motorů se v minulosti používala jak kyselina dusičná jako oxidační činidlo, tak hydrazin jako zdroj spalovaného vodíku. Organické sloučeniny dusíku jako například aminy se používají k výrobě barviv a léčiv. Jiné dusíkaté organické deriváty se používají například k výrobě indikátorů v analytické chemii. Vodný roztok močoviny (32,5%) se používá pod komerčním názvem AdBlue ve vznětových motorech jako aditivum, sloužící ke snížení emisí výfukových plynů.
Vliv na lidský organismus Při zvyšování obsahu plynného dusíku v atmosféře může dojít k dušení, ztrátě vědomí až relativně netraumatické smrti vlivem nedostatku kyslíku.
Sloučeniny
Anorganické sloučeniny Mezi anorganické sloučeniny dusíku se řadí amoniak a jeho deriváty, oxidy dusíku a dusíkaté kyseliny, peroxokyseliny a jejich soli.
Amoniak a jeho deriváty Mezi deriváty amoniaku se řadí amidy, imidy a nitridy, které vznikají nahrazováním atomů vodíků v jeho molekule. Dále hydrazin, hydroxylamin, halogenidy a oxidohalogenidy dusíku a sloučeniny síry s dusíkem.
Amoniak NH3 je plyn lehčí než vzduch, bez barvy, rozpustný ve vodě, má charakteristický štiplavý zápach, leptá sliznice a používá se jako hnojivo a surovina pro výrobu dalších anorganických a organických sloučenin. Při rozpouštění amoniaku ve vodě se reakcí s vodou tvoří z části molekul amoniaku tzv. hydroxid amonný. Derivát, který vzniká nahrazením jednoho atomu vodíku v amoniaku, se nazývá amid nebo amin. Amidy jsou deriváty amoniaku, které mají atom vodíku nahrazen kovem (např. amid sodný NaNH2) nebo si je můžeme představit odvozené náhradou skupiny OH v kyselinách za skupinu -NH2 (např. diamid kyseliny uhličité neboli močovina (NH2)2CO). Jako aminy se označují ostatní sloučeniny (např. chloramin NH2Cl). Toto dělení se používá pouze pro anorganické sloučeniny, v organických sloučeninách tyto názvy označují jiné sloučeniny. Derivát, který vzniká nahrazením dvou atomů vodíku v amoniaku, se nazývá imid nebo imin. Anion má tvar >NH2−. Rozdíl mezi imidem a iminem a použití těchto názvů je stejné jako u amidu a aminu.