複製鏈接
請複製以下鏈接發送給好友
https://baike.baidu.hk/item/氮氣/166548
複製
複製成功

氮氣

鎖定
氮氣（Nitrogen），是氮元素形成的一種單質，化學式N₂。常温常壓下是一種無色無味的氣體，只有在高温高壓及催化劑條件下才能和氫氣反應生成氨氣，在放電的情況下能和氧氣化合生成一氧化氮；即使Ca、Mg、Sr和Ba等活潑金屬也只有在加熱的情形下才能與其反應。
氮氣的這種高度化學穩定性與其分子結構有關，2個N原子以叁鍵結合成為氮氣分子，包含1個σ鍵和2個π鍵，因為在化學反應中首先受到攻擊的是π鍵，而在N₂分子中π鍵的能級比σ鍵低，打開π鍵困難，因而使N₂難以參與化學反應。 [1] 
氮是地球上第30豐富的元素。考慮到氮氣佔大氣量的4/5，即佔大氣的78%以上，幾乎可以使用無限量的氮氣。工業常使用分餾液態空氣的方法來獲得大量氮氣 [2] 
中文名
氮氣
外文名
Nitrogen [2] 
化學式
N₂
分子量
28.01
CAS登錄號
7727-37-9 [2] 
EINECS登錄號
231-783-9
熔    點
-209.86 ℃ [5] 
沸    點
-196 ℃ [1] 
水溶性
微溶 [6] 
密    度
1.25 g/dm³(標準狀況) [1] 
外    觀
無色無味氣體 [1] 
應    用
惰性保護氣、致冷劑、合成氨
安全性描述
S38
UN危險貨物編號
1066 [10] 

目錄

  1. 1 研究簡史
  2. 2 理化性質
  3. ▪ 物理性質
  4. ▪ 化學性質
  5. 3 製備方法
  1. ▪ 工業製備
  2. ▪ 實驗室製備
  3. 4 應用領域
  4. 5 安全措施
  5. ▪ 健康危害
  1. ▪ 危害防治
  2. 6 儲存與運輸
  3. ▪ 儲存方法
  4. ▪ 運輸方法

氮氣研究簡史

瑞典化學家卡爾·謝勒（Carl Scheele）和蘇格蘭植物學家丹尼爾·盧瑟福（Daniel Rutherford）在1772年分別發現了氮。牧師卡文迪許和拉瓦錫也在差不多的同一時間獨立地獲得了氮。Rutherford在他的老師Joseph Black的啓發下，研究含碳物質在有限量的空氣中燃燒後所留下的殘餘“空氣”的性質時，他用KOH除去CO2，從而獲得了氮。他認為這是從已燃燒的物質中吸收了燃素的普通空氣。有些人不顧A. L. Lavoisier的研究成果，直到1840年還在爭論關於氮氣的基本性質。
氮（Nitrogen）這個名稱，在1970年由Jean-Antoine-ClaudeChaptal提出，是基於它是硝酸和硝酸鹽的一個組分的考慮（希臘文Νιτροζόλη，硝酸靈）。由於這種氣體的窒息性，Lavoisier更喜歡用azote（氮）這個名稱（希臘文άψυχη，無生命），而且這個名稱在語法中以諸如azo、dizao、azide等形式還在使用。德文名稱stickstoff指的是相同的性質（sticken,窒息或悶熄）。 [8] 

氮氣理化性質

氮氣物理性質

外觀
無色無味的氣體
溶解性
微溶於酒精和水（在273 K和100 kPa下100 ml水能溶解2.4 ml氮氣）
體積分數
大氣中體積分數：78.1% [6] 
熔點
-209.86℃ [5] 
沸點
-196℃ [1] 
相對密度
0.81（-196℃，水=1）；相對蒸氣密度0.97（空氣=1）
飽和蒸氣壓
1026.42 kPa（-173℃）
臨界温度
-147.1℃
臨界壓力
3.4 MPa
辛醇/水分配係數
0.67 [7] 
物質結構
氮分子中的兩個氮原子之間形成一條σ鍵和兩個π鍵。與類似的CO、C2H4等分子相比，N2的成鍵分子軌道σ2p（-15.59 eV）和π2p（-16.73 eV）能量比較低，反鍵分子軌道π*2p（8.17 eV）能量比較高，不但難以接受電子也不易給出電子，具有較強的穩定性，離解能高達945 kJ/mol，即使在3273 K時也不分解。 [6] 
摩爾折射率
3.87
摩爾體積（cm3/mol）
31.9
等張比容（90.2 K）
70.5
表面張力（dyne/cm）
23.6
極化率（10-24 cm3）
1.53 [7] 

氮氣化學性質

氮氣是一種有惰性的氣體，一般不與其他物質發生反應，但在一定條件下，氮可與鹼金屬或鹼土金屬反應，相當於在氮分子的反鍵分子軌道上填充一個電子，金屬的給電子能力越強，反應越易進行。如，在常温下鋰可與氮直接反應，而鈣需要加熱到一定條件才能於氮氣反應：
ⅢA和ⅣA族的一些元素在加熱條件下能與氮氣反應：
在高温、高壓和催化劑存在的條件下，氮能與氫反應生成氨：
氮氣在放電條件下能與氧氣反應生成NO： [6] 
氮氣在催化下也能被氧化為NO2： [12] 

氮氣製備方法

氮氣工業製備

液態空氣分餾法
氮氣主要是從大氣中分離或含氮化合物的分解制得的。每年通過液化空氣生產超過3,300萬噸的氮氣，然後使用分餾的方法在大氣中生產氮氣以及其他氣體。 [1-2] 
深冷分離法
深冷分離法工藝已經歷了100多年的發展，先後經歷了高壓、高低壓、中壓和全低壓流程等多種不同的工藝流程。隨着現代空分工藝技術和設備的發展，高壓、高低壓、中壓空分流程已基本被淘汰，能耗更低、生產更安全的全低壓流程已成為大中型低温空分裝置的首選。
全低壓空分工藝根據氧氮產品壓縮環節不同，又分為外壓縮流程和內壓縮流程。全低壓外壓縮流程生產出低壓氧氣或氮氣，然後經外置的壓縮機將產品氣體壓縮至所需壓力供給用户。全低壓內壓縮流程將精餾產生的液態氧或液態氮在冷箱內通過液體泵加壓至用户所需壓力後汽化，並在主換熱器內復熱後供給用户。主要工藝過程為原料空氣過濾、壓縮、冷卻、純化、增壓、膨脹、精餾、分離、復熱、外供。 [3] 
深冷分離法流程 深冷分離法流程
膜分離法
膜分離技術是基於薄膜對氣體組分具有選擇性滲透和擴散的特性，以達到氣體分離和純化的目的。氣體中各種組分透過膜的速度不同，每種組分透過膜的速度與該氣體的性質、膜的特性和膜兩面的分壓差有關。透過膜的氣體組分不可能達到100%的純度。氣體分離膜通常可分為多孔材質和非多孔材質，它們無機物（多孔玻璃、陶瓷、金屬、電子導電性固體和鈀合金等）或有機高分子（微孔聚乙烯、多孔醋酸纖維、均質醋酸纖維、聚硅氧烷橡膠和聚碳酸脂）組成。 [4] 
淨化後的壓縮空氣經過緩衝罐，聯合過濾器後由膜組一端進入，氣體分子在壓力作用下首先在膜的高壓側接觸。混合氣體在膜的高壓側表面以不同的溶解度溶於膜內，然後在膜兩側壓力差的推動下，混合氣體的分子以不同的速度向膜的低壓側擴散。經過溶解和擴散兩個過程的選擇，最終混合氣體被分離成各個組分。例如：空氣、氧氣的透過速度大於氮氣，經過膜分離之後，高壓側留下的氣體富氮，而透過去的氣體富氧。 [4] 
膜分離技術流程 膜分離技術流程
變壓吸附法（PSA法）
該方法是以壓縮空氣為原料，一般以分子篩為吸附劑，在一定的壓力下，利用空氣中氧氣和氮氣分子在不同分子篩表面吸附量的差異，在一定時間內氧在吸附相富集，氮在氣體相富集，實現氧、氮分離；而卸壓後分子篩吸附劑解析再生，循環使用。 [3]  吸附劑除了分子篩之外，還可應用活性氧化鋁、硅膠等。 [4] 
目前，常用變壓吸附制氮裝置是以壓縮空氣為原料，碳分子篩為吸附劑，利用氧和氮在碳分子篩上的吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差異及分子篩對氧和氮隨壓力不同具有不同的吸附容量的特性來實現氧、氮分離。首先，空氣中的氧被碳分子篩優先吸附，從而在氣相中富集氮氣。為連續獲得氮氣，需兩個吸附塔交替工作。 [4] 
變壓吸附法流程 變壓吸附法流程
氨分解法
在高温且有鎳的催化下，氨逐漸分解為氮氣與氫氣：
然後把混合氣在燃燒室內燃燒並控制空氣比例，讓氫氣不完全燃燒，其燃燒生成物通過除氧，乾燥則可得到不同氮氫混合比的保護性氣體（其氫含量可控制在1%~25%）被使用於銅材的光亮退火（此方法僅適用於氮氣氫氣來源困難而氨價格又較低廉的情況時）。 [9] 

氮氣實驗室製備

亞硝酸銨分解法
實驗室常用加熱氯化銨飽和溶液和固體亞硝酸鈉混合物的方法制備氮氣： [6] 
重鉻酸銨分解法
重鉻酸銨受熱分解可放出氮氣： [8] 
氨法制氮氣
氨與溴水或與氧化銅高温下都可生成氮氣： [8] 
疊氮化鈉分解法
在三百攝氏度時，疊氮化鈉在小心控制下熱分解：
此方法制取的氮氣純度較高。 [8] 

氮氣應用領域

1、氮氣的化學性質很穩定，一般不與其他物質發生反應。這種惰性品質使它可以廣泛應用於許多厭氧環境，比如用氮氣將特定容器中的空氣驅替置換，起到隔離、阻燃、防爆、防腐的作用，這項技術在輕烴裝置檢修、LPG工程、輸氣管道和液化氣管網吹掃等工業、民用方面得以應用 [11]  。氮氣還可在已加工的食品和藥品的包裝中用作覆蓋氣體，密封電纜、電話線以及給可膨脹的橡膠輪胎加壓等。作為一種防腐劑，氮氣也常被替置與井下，以減緩管柱與地層流體接觸所產生的腐蝕。 [8] 
2、高純氮氣在金屬熔鑄工藝中被用於對金屬熔體精煉處理，以提高鑄坯質量，例如以高純氮氣為主摻合部分氫、氣在銅加工中作為光亮退火熱處理的保護性氣體，它有效地防止銅材的高温氧化，保持銅材表面的光亮，廢除了酸洗工序。以氮氣為基本的木炭爐煤氣（其成分為：64.1%N2，34.7%CO，1.2%H2和少量CO2）在銅熔鑄時作為保護性氣體，使銅熔體在澆鑄面免受氧化，保證了產品質量。 [9] 
液氮 液氮
3、生產的氮氣大約10%用作製冷劑，主要包括：通常軟的或類似橡膠物質的凝固磨碎、低温加工橡膠、工程技術部件的冷縮配合和安裝、生物標本，如血液的的保存、在運輸中製冷等。 [8] 
4、氮氣可用於合成一氧化氮或二氧化氮，以此來製造硝酸，這種製造方法純度高且價格較為低廉。此外氮氣還可用於合成氨及金屬氮化物等。 [2] 

氮氣安全措施

氮氣健康危害

空氣中氮氣含量過高，使吸入氣氧分壓下降，引起缺氧窒息。吸入氮氣濃度不太高時，患者最初感胸悶、氣短、疲軟無力；繼而有煩躁不安、極度興奮、亂跑、叫喊、神情恍惚、步態不穩，稱之為“氮酩酊”，可進入昏睡或昏迷狀態。吸入高濃度，患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。
潛水員深潛時，可發生氮的麻醉作用；若從高壓環境下過快轉入常壓環境，體內會形成氮氣氣泡，壓迫神經、血管或造成微血管阻塞，發生“減壓病”。 [10] 

氮氣危害防治

應急處理方法：迅速撤離泄漏污染區人員至上風處，並進行隔離，嚴格限制出入。建議應急處理人員戴自給正壓式呼吸器，穿一般作業工作服。儘可能切斷泄漏源。合理通風，加速擴散。漏氣容器要妥善處理，修復、檢驗後再用。
操作方法：密閉操作，提供良好的自然通風條件，操作人員必須經過專門培訓，嚴格遵守操作規程。防止氣體泄漏到工作場所空氣中。搬運時輕裝輕卸，防止鋼瓶及附件破損，配備泄漏應急處理設備。
若吸入過量氮氣應迅速脱離現場至空氣新鮮處，保持呼吸道通暢。如呼吸困難，給輸氧。呼吸心跳停止時，立即進行人工呼吸和胸外心臟按壓術，及時就醫。 [10] 

氮氣儲存與運輸

氮氣儲存方法

儲存於陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫温不宜超過30℃。儲區應備有泄漏應急處理設備 [10]  。

氮氣運輸方法

採用剛瓶運輸時必須戴好鋼瓶上的安全帽。鋼瓶一般平放，並應將瓶口朝同一方向，不可交叉；高度不得超過車輛的防護欄板，並用三角木墊卡牢，防止滾動。嚴禁與易燃物或可燃物等混裝混運。夏季應早晚運輸，防止日光曝曬。鐵路運輸時要禁止溜放。 [10] 
參考資料
  • 1.    李業梅，吳雲，程亞梅主編. 無機化學[M]. 武漢：華中科技大學出版社, 2010：340-341.
  • 2.    氮氣  ．ChemicalBook[引用日期2020-05-18]
  • 3.    呂新萍.深冷制氮與變壓吸附制氮的比較分析[J].中國水運(下半月),2017,17(08):312-314.
  • 4.    張晶.變壓吸附與膜分離制氮方式對比[J].天津化工,2019,33(04):10-12.
  • 5.    黃家琪.超級初中數理化生公式定理 雙色版[M].:世界圖書上海出版公司,2008:235.
  • 6.    張天藍，姜鳳超. 無機化學[M]. 北京：人民衞生出版社, 2016.
  • 7.    氮|nitrogen|7727-37-9|  ．物競化學品數據庫[引用日期2022-08-26]
  • 8.    N.N. 格林伍德，A. 厄恩肖.元素化學 中冊[M].：高等教育出版社, 1996.
  • 9.    趙大東. 有色金屬加工工業中的氮氣應用和製備[J]. 有色金屬加工, 1995, 000(003):7-11.
  • 10.    氮安全技術説明書  ．MSDS[引用日期2022-08-27]
  • 11.    劉成, 羅召陽, 劉麗君. 氮氣技術在油氣生產中的應用[J]. 斷塊油氣田, 2001, 8(4):4.
  • 12.    Zhang X , Shi R , Li Z , et al. Photothermal-Assisted Photocatalytic Nitrogen Oxidation to Nitric Acid on Palladium-Decorated Titanium Oxide[J]. Advanced energy materials, 2022(12-13).
展開全部 收起