氮气编辑

氮元素形成的一种单质

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氮气（Nitrogen），是氮元素形成的一种单质，化学式N₂。常温常压下是一种无色无味的气体，只有在高温高压及催化剂条件下才能和氢气反应生成氨气，在放电的情况下能和氧气化合生成一氧化氮；即使Ca、Mg、Sr和Ba等活泼金属也只有在加热的情形下才能与其反应。氮气的这种高度化学稳定性与其分子结构有关，2个N原子以叁键结合成为氮气分子，包含1个σ键和2个π键，因为在化学反应中首先受到攻击的是π键，而在N₂分子中π键的能级比σ键低，打开π键困难，因而使N₂难以参与化学反应。氮是地球上第30丰富的元素。考虑到氮气占大气量的4/5，即占大气的78%以上，几乎可以使用无限量的氮气。工业常使用分馏液态空气的方法来获得大量氮气

瑞典化学家卡尔·谢勒（Carl Scheele）和苏格兰植物学家丹尼尔·卢瑟福（DAniel Rutherford）在1772年分别发现了氮。牧师卡文迪许和拉瓦锡也在差不多的同一时间独立地获得了氮。Rutherford在他的老师Joseph Black的启发下，研究含碳物质在有限量的空气中燃烧后所留下的残余“空气”的性质时，他用KOH除去CO₂，从而获得了氮。他认为这是从已燃烧的物质中吸收了燃素的普通空气。有些人不顾A. L. Lavoisier的研究成果，直到1840年还在争论关于氮气的基本性质。

氮（Nitrogen）这个名称，在1970年由Jean-Antoine-ClaudeChaptal提出，是基于它是硝酸和硝酸盐的一个组分的考虑（希腊文Νιτροζόλη，硝酸灵）。由于这种气体的窒息性，Lavoisier更喜欢用azote（氮）这个名称（希腊文άψυχη，无生命），而且这个名称在语法中以诸如azo、dizao、azide等形式还在使用。德文名称stickstoff指的是相同的性质（sticken,窒息或闷熄）。

理化性质

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物理性质

氮气是无色无味的气体，微溶于酒精和水（在273 K和100 kPa下100 ml水能溶解2.4 ml氮气），大气中体积分数：78.1%。，熔点-209.86℃ ，沸点-196℃ ，相对密度0.81（-196℃，水=1），相对蒸气密度0.97（空气=1），饱和蒸气压1026.42 kPa（-173℃），临界温度-147.1℃，临界压力3.4 MPa，辛醇/水分配系数：0.67。

物质结构

1、氮分子中的两个氮原子之间形成一条σ键和两个π键。与类似的CO、C₂H₄等分子相比，N₂的成键分子轨道σ_2p（-15.59 eV）和π_2p（-16.73 eV）能量比较低，反键分子轨道π^*_2p（8.17 eV）能量比较高，不但难以接受电子也不易给出电子，具有较强的稳定性，离解能高达945 kJ/mol，即使在3273 K时也不分解。

2、摩尔折射率：3.87

3、摩尔体积（cm³/mol）：31.9

4、等张比容（90.2 K）：70.5

5、表面张力（dyne/cm）：23.6

6、极化率（10^-24cm³）：1.53

化学性质

氮气是一种有惰性的气体，一般不与其他物质发生反应，但在一定条件下，氮可与碱金属或碱土金属反应，相当于在氮分子的反键分子轨道上填充一个电子，金属的给电子能力越强，反应越易进行。如，在常温下锂可与氮直接反应，而钙需要加热到一定条件才能于氮气反应：

ⅢA和ⅣA族的一些元素在加热条件下能与氮气反应：

在高温、高压和催化剂存在的条件下，氮与能氢反应生成氨：

氮气在放电条件下能与氧气反应生成NO：

氮气在催化下也能被氧化为NO₂：

制备方法

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工业制备

液态空气分馏法

氮气主要是从大气中分离或含氮化合物的分解制得的。每年通过液化空气生产超过3,300万吨的氮气，然后使用分馏的方法在大气中生产氮气以及其他气体。

深冷分离法

深冷分离法工艺已经历了100多年的发展，先后经历了高压、高低压、中压和全低压流程等多种不同的工艺流程。随着现代空分工艺技术和设备的发展，高压、高低压、中压空分流程已基本被淘汰，能耗更低、生产更安全的全低压流程已成为大中型低温空分装置的首选。

全低压空分工艺根据氧氮产品压缩环节不同，又分为外压缩流程和内压缩流程。全低压外压缩流程生产出低压氧气或氮气，然后经外置的压缩机将产品气体压缩至所需压力供给用户。全低压内压缩流程将精馏产生的液态氧或液态氮在冷箱内通过液体泵加压至用户所需压力后汽化，并在主换热器内复热后供给用户。主要工艺过程为原料空气过滤、压缩、冷却、纯化、增压、膨胀、精馏、分离、复热、外供。

深冷分离法流程

膜分离法

膜分离技术是基于薄膜对气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化的目的。气体中各种组分透过膜的速度不同，每种组分透过膜的速度与该气体的性质、膜的特性和膜两面的分压差有关。透过膜的气体组分不可能达到100%的纯度。气体分离膜通常可分为多孔材质和非多孔材质，它们无机物（多孔玻璃、陶瓷、金属、电子导电性固体和钯合金等）或有机高分子（微孔聚乙烯、多孔醋酸纤维、均质醋酸纤维、聚硅氧烷橡胶和聚碳酸脂）组成。

净化后的压缩空气经过缓冲罐，联合过滤器后由膜组一端进入，气体分子在压力作用下首先在膜的高压侧接触。混合气体在膜的高压侧表面以不同的溶解度溶于膜内，然后在膜两侧压力差的推动下，混合气体的分子以不同的速度向膜的低压侧扩散。经过溶解和扩散两个过程的选择，最终混合气体被分离成各个组分。例如：空气、氧气的透过速度大于氮气，经过膜分离之后，高压侧留下的气体富氮，而透过去的气体富氧。

膜分离技术流程

变压吸附法（PSA法）

该方法是以压缩空气为原料，一般以分子筛为吸附剂，在一定的压力下，利用空气中氧气和氮气分子在不同分子筛表面吸附量的差异，在一定时间内氧在吸附相富集，氮在气体相富集，实现氧、氮分离；而卸压后分子筛吸附剂解析再生，循环使用。吸附剂除了分子筛之外，还可应用活性氧化铝、硅胶等。

目前，常用变压吸附制氮装置是以压缩空气为原料，碳分子筛为吸附剂，利用氧和氮在碳分子筛上的吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差异及分子筛对氧和氮随压力不同具有不同的吸附容量的特性来实现氧、氮分离。首先，空气中的氧被碳分子筛优先吸附，从而在气相中富集氮气。为连续获得氮气，需两个吸附塔交替工作。

变压吸附法流程

氨分解法

在高温且有镍的催化下，氨逐渐分解为氮气与氢气：

然后把混合气在燃烧室内燃烧并控制空气比例，让氢气不完全燃烧，其燃烧生成物通过除氧，干燥则可得到不同氮氢混合比的保护性气体（其氢含量可控制在1%~25%）被使用于铜材的光亮退火（此方法仅适用于氮气氢气来源困难而氨价格又较低廉的情况时）。

实验室制备

亚硝酸铵分解法

实验室常用加热氯化铵饱和溶液和固体亚硝酸钠混合物的方法制备氮气：

重铬酸铵分解法

重铬酸铵受热分解可放出氮气：

氨法制氮气

氨与溴水或与氧化铜高温下都可生成氮气：

叠氮化钠分解法

在三百摄氏度时，叠氮化钠在小心控制下热分解：

此方法制取的氮气纯度较高。

应用领域

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1、氮气的化学性质很稳定，一般不与其他物质发生反应。这种惰性品质使它可以广泛应用于许多厌氧环境，比如用氮气将特定容器中的空气驱替置换，起到隔离、阻燃、防爆、防腐的作用，这项技术在轻烃装置检修、LPG工程、输气管道和液化气管网吹扫等工业、民用方面得以应用。氮气还可在已加工的食品和药品的包装中用作覆盖气体，密封电缆、电话线以及给可膨胀的橡胶轮胎加压等。作为一种防腐剂，氮气也常被替置与井下，以减缓管柱与地层流体接触所产生的腐蚀。

2、高纯氮气在金属熔铸工艺中被用于对金属熔体精炼处理，以提高铸坯质量，例如以高纯氮气为主掺合部分氢、气在铜加工中作为光亮退火热处理的保护性气体，它有效地防止铜材的高温氧化，保持铜材表面的光亮，废除了酸洗工序。以氮气为基本的木炭炉煤气（其成分为：64.1%N₂，34.7%CO，1.2%H₂和少量CO₂）在铜熔铸时作为保护性气体，使铜熔体在浇铸面免受氧化，保证了产品质量。

液氮