홑원소물질인 질소는 2원자 분자(N2)의 반응성이 낮은 기체다. 공기의 최다 성분으로 부피의 78.1%, 중량의 75.5%를 차지한다.
원소로서의 질소는 1772년에 영국의 의사이며 화학자인 러더퍼드가 발견하였다. 러더퍼드는 공기 중에서 탄화수소를 연소시켜 생성되는 이산화탄소를 제외한 잔류 성분을 '보통 공기'라고 하였다. 이 기체 속에서는 쥐들이 바로 질식하였기 때문에 1789년에 프랑스의 화학자인 라부아지에는 이것을 아조트(azote, 그리스어로 azotikos, 생명이 없다는 의미)라고 하였다.
질소의 영어명 nitrogen은 질소가 초석(nitrium)으로부터 생긴다(그리스어로 gennao)는 말에서 유래되었다.
독일어로는 sticken(질식시킨다)과 Stoff(물질)를 혼합한 Stickstoff가 쓰인다.
주요 광석은 초석(KNO3)과 칠레초석(NaNO3)이다. 공업적으로는 공기를 냉각해 질소 가스를 만든다. 액체 질소는 -195.8도에서 끓는 매우 차가운 액체라서 장미꽃을 담그면 즉시 동결되며 망치로 두드리면 깨진다.
액체 질소는 -195.8도의 온도를 유지하는 뛰어난 냉각제로서 사람이나 동물의 난자, 정액, 혈액 등과 같은 생물 시료를 동결 보존하는 데 쓰이며 초전도 자석의 냉각에 이용된다.
공기 중의 질소는 질소를 고정하는 능력이 있는 뿌리혹박테리아에 의해 암모니아로 환원되어 식물에 침투한다. 또한 천둥에 의한 방전으로 공기 중의 질소는 산화물이 되고 비가 되어 지상으로 떨어져 생물에게 흡수된다. 여름에 천둥이 많이 치면 가을에 풍년이 든다는 말은 전혀 근거가 없는 것이 아니다.
암모니아와 수소 이온(H+)의 복합체를 암모늄 이온(NH4+)이라고 하는데 황산암모늄, 염화암모늄, 질산암모늄 등은 중요한 질소 비료이다.
식물에 흡수된 암모니아는 아미노산이나 핵산 같은 유기 화합물로 변환되고 음식물로서 동물에도 침투된다. 동식물은 사후에 미생물 등에 의해 분해되고 질소는 유기 화합물로서 암모니아나 질소 가스로 되돌아간다. 질소는 형태를 바꾸면서 항상 생물과 대기 사이에서 순환한다.
1913년에 독일의 화학자인 하버가 공업적인 질소 고정법을 고안하였다. 이것은 질소 가스와 수소 가스를 200-1000기압, 500도에서 철을 촉매로 사용하여 반응시키는 암모니아 합성법이다. 하버법의 개발로 인해 공기로부터 질소 비료를 얻을 수 있게 되어 농업 생산량이 비약적으로 신장되었다.
암모니아는 불쾌하고 자극적인 냄새가 심한 편인 무색의 가스(끓는점 -33.4도)로서 물에 녹기 쉽고 물 속에서는 암모늄과 수산화 이온이 된다. 수산화 이온 때문에 암모니아수는 알칼리성이다. 1828년에 독일의 화학자인 뵐러는 시안산 암모늄(NH4OCN)으로부터 요소(CO(NH2)2)를 합성하였다. 이 요소 합성을 계기로 유기 화합물은 생물보다는 화학으로 이해하게 되었다.
요소는 합성 수지나 비료에 쓰이고 공업적으로는 이산화탄소와 암모니아로부터 합성된다. 그 이름대로 사람 등의 소변 중에 단백질 분해 산물로서 하루에 약 30g이 배설된다.
질소 산화물로는 N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4, NO3 가 있고 N2O, NO, NO2, N2O4가 잘 알려져 있다.
일산화이질소(N2O)는 소기(笑氣)라고도 하며 향기와 감미가 있는 무색 가스로서 들이마시면 안면에 경련이 일어 웃는 것처럼 보인다.
일산화질소(NO)는 무색 가스지만 공기 중에서는 산소와 신속하게 반응하여 갈색의 이산화질소(NO2) 등이 된다. 극히 미량이지만 사람의 체내에서도 아르기닌이라는 아미노산으로부터 효소에 의해 합성된다. 신경이나 세포간 정보 전달 물질로서 면역계, 순환기계, 소화기계, 신경계어서 중요한 역할을 담당하고 있으며, 그 작용 기구는 현재도 활발히 조사중이다. 다이너마이트의 원료인 니트로글리세린(C3H5(ONO2)3)을 복용하면 협심증 발작이 가라앉는 이유는 분해할 수 있는 일산화질소가 관동맥을 확장시키기 때문이다.
NO와 광범위한 생명 현상에 대한 관계가 의학계에서 인식되어 미국의 과학 잡지인 '사이언스'는 NO를 '1992년의 분자'로 선정하였다.
엔진이나 보일러에서는 고온 때문에 공기 중의 질소와 산소가 직접 반응하여 NOx('녹스'라고 한다.)로 총칭하는 여러 가지 질소 산화물이 발생한다. NOx는 대기 오염 물질 가운데 하나로 대기 중에서 빗물에 흡수되어 질산으로 변하기 때문에 황산화물(이것은 황산으로 변한다)과 함께 산성비의 원인 물질이다. 식물이 가장 생육하기 좋은 조건은 중성 정도이기 때문에 산성비가 내리면 식물이 잘 생육하지 못하고 시들어 버린다.
공업적인 질산 제조법을 오스트발트법이라고 한다. 암모니아를 공기와 섞어 800-2800도에서 백금을 촉매로 반응시켜 일산화질소로 환원시키고, 이것을 공기로 산화시켜 이산화질소로 바꾼다음 다시 이것을 물에 녹여 질산으로 만든다.
질산은 산화력이 강하며 금이나 백금 등을 제외한 대부분의 금속과 반응하여 질산염이 된다. 다만 알루미늄, 철, 크롬이 질산과 반응하면 금속 표면에 산화물 피막이 만들어지므로 반응은 더 이상 진행되지 않는다. 이것을 부동태라고 한다. 진한 염산과 진한 질산의 부피비 3 대 1의 혼합물을 왕수라고 하는데 이 왕수로는 금이나 백금도 용해시킬 수 있다.
질산에는 많은 유기 화합물에 니트로기(-NO2)를 부가하는 능력이 있다. 이 기능을 이용하여 면이나 펄프로부터 화약 원료인 트리니트로셀룰로오스를, 글리세린으로부터 니트로글리세린을 제조한다.
동식물에 있어서 질소를 다량으로 포함한 식품이나 비료가 꼭 필요한 것에서 알 수 있듯이 질소는 생명체에 있어서 필수 원소 중 하나다. 몸무게가 70kg인 성인의 몸에는 질소가 1.8kg이나 들어 있다.
피나 근육의 성분인 단백질이나 체내의 화학 반응을 촉진하는 효소는 질소 원자를 포함한 아미노산으로 구성되어 있다. 아미노산에 있는 아미노기(-NH2)는 질소 원자를 포함한 원자단으로 암모니아와 마찬가지로 수소 이온을 받아들이는 염기로서의 성질이 있다.