氮氣

百科說明

氮氣

氮氣，化學式為N2，通常狀況下是一種無色無味的氣體，而且一般氮氣比空氣密度小。氮氣占大氣總量的78.08%（體積分數(shù)），是空氣的主要成份之一。在標準大氣壓下，氮氣冷卻至-195.8℃時，變成無色的液體，冷卻至-209.8℃時，液態(tài)氮變成雪狀的固體。氮氣的化學性質不活潑，常溫下很難跟其他物質發(fā)生反應，所以常被用來制作防腐劑。但在高溫、高能量條件下可與某些物質發(fā)生化學變化，用來制取對人類有用的新物質。

發(fā)現(xiàn)簡史

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氮氣在大氣中含量雖多于氧氣，但是由于它的性質不活潑，所以人們是在認識氧氣之后才認識氮氣的。不過它的發(fā)現(xiàn)卻早于氧氣。1755年英國化學家布拉克（Black,J.1728-1799）發(fā)現(xiàn)碳酸氣之后不久，發(fā)現(xiàn)木炭在玻璃罩內燃燒后所生成的碳酸氣，即使用苛性鉀溶液吸收后仍然有較大量的空氣剩下來。后來他的學生D·盧瑟福繼續(xù)用動物做實驗，把老鼠放進封閉的玻璃罩里直至其死后，發(fā)現(xiàn)玻璃罩中空氣體積減少1/10；若將剩余的氣體再用苛性鉀溶液吸收，則會繼續(xù)減少1/11的體積。D·盧瑟福發(fā)現(xiàn)老鼠不能生存的空氣里燃燒蠟燭，仍然可以見到微弱的燭光；待蠟燭熄滅后，往其中放入少量的磷，磷仍能燃燒一會，對除掉空氣中的助燃氣來說，效果是好的。把磷燃燒后剩余的氣體進行研究，D·盧瑟福發(fā)現(xiàn)這氣體不能維持生命，具有滅火性質，也不溶于苛性鉀溶液，因此命名為“濁氣”或“毒氣”。在同一年，普利斯特里作類似的燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)使1/5的空氣變?yōu)樘妓釟猓檬宜蘸蟮臍怏w不助燃也不助呼吸。由于他同D·盧瑟福都是深信燃素學說的，因此他們把剩下來的氣體叫做“被燃素飽和了的空氣”。

理化性質

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物理性質

氮氣在常況下是一種無色無味的氣體，占空氣體積分數(shù)約78%（氧氣約21%）。熔點是63 K，沸點是77 K，臨界溫度是126 K，難于液化。溶解度很小，常壓下在283 K 時一體積水可溶解0.02體積的氮氣。

氮氣是難液化的氣體。氮氣在極低溫下會液化成無色液體，進一步降低溫度時，更會形成白色晶狀固體。在生產中，通常采用黑色鋼瓶盛放氮氣。其他物理性質見下表： [1]

項目化學式相對分子質量 CAS登錄號 EINECS登錄號英文名稱熔點沸點，101.325kPa（1atm）時臨界溫度臨界壓力臨界體積臨界密度臨界壓縮系數(shù) 液體密度，-180℃時液體熱膨脹系數(shù)，-180℃時表面張力，-210℃時氣體密度，101.325 kPa(atm)和70F(21.1℃)時氣體相對密度，101.325 kPa(1atm)和70F時(空氣=1) 汽化熱，沸點下熔化熱，熔點下氣體定壓比熱容cp，25℃時氣體定容比熱容cv，25℃時氣體比熱容比，cp/cv 液體比熱容，-183℃時固體比熱容，-223℃時溶解度參數(shù) 液體摩爾體積在水中的溶解度，25℃時氣體黏度，25℃時液體黏度，-150℃時氣體熱導率，25℃ 時液體熱導率，-150℃時	屬性 N2 28.013 7727-37-9 231-783-9 Nitrogen 63.15K，-210℃ 77.35K，-195.8℃ 126.1K，-147.05℃ 3.4MPa，33.94bar，33.5atm，492.26psia 90.1cm3/mol 0.3109g/cm3 0.292 0.729g/cm3 0.00753 1/℃ 12.2×10-3 N/m，12.2dyn/cm 1.160kg/m3，0.0724 lb/ft3 0.967 202.76kJ/kg，87.19 BTU/1b 25.7kJ/kg，11.05 BTU/1b 1.038kJ/（kg· k），0.248 BTU/（1b·R） 0.741kJ/（kg· k），0.177 BTU/（1b·R） 1.401 2.13kJ/（kg·k)，0.509 BTU/(1b·R) 1.489kJ/(kg·k)，0.356 BTU/(1b·R) 9.082(J/cm3)0.5 34.677cm3/mol 17.28×10-6(w) 175.44×10-7Pa·s，17.544μPa·s 0.038mPa ·s，0.038 cp 0.02475W/(m · K) 0.0646W/(m · K)

化學性質

由氮元素的氧化態(tài)-吉布斯自由能圖也可以看出，除了NH4+離子外，氧化數(shù)為0的N2分子在圖中曲線的最低點，這表明相對于其它氧化數(shù)的氮的化合物來講的話，N2是熱力學穩(wěn)定狀態(tài)結構。氧化數(shù)為0到+5之間的各種氮的化合物的值都位于HNO3和N2兩點的連線（圖中的虛線）的上方。因此，這些化合物在熱力學上是不穩(wěn)定的，容易發(fā)生歧化反應。在圖中的一個比N2分子值低的是NH4+離子。

正價氮呈酸性，負價氮呈堿性。

由氮分子中三鍵鍵能很大，不容易被破壞，因此其化學性質十分穩(wěn)定，只有在高溫高壓并有催化劑存在的條件下，氮氣成分可以和氫氣反應生成氨。同時，由于氮分子的化學結構比較穩(wěn)定，氰根離子CN-和碳化鈣CaC2中的C22-和氮分子結構相似。

氮分子中存在氮氮叁鍵，鍵能很大（941 KJ/mol），以至于加熱到3273K時僅有0.1%離解，氮分子是已知雙原子分子中最穩(wěn)定的。氮氣是CO的等電子體，在結構和性質上有許多相似之處。

不同活性的金屬與氮氣的反應情況不同。與堿金屬在常溫下直接化合；與堿土金屬 —般需要在髙溫下化合；與其他族元素的單質反應則需要更高的反應條件。

氮氣用途

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化工合成

人類能夠有效利用氮氣的主要途徑是合成氨，但要求條件很高。近年來，人們在竭力弄清植物固氮的機理，爭取用化學的方法模擬生物固氮，來實現(xiàn)在溫和條件下開發(fā)利用空氣中的氮資源。氮主要用于合成氨，反應式為

( 條件為高壓，高溫、和催化劑。反應為可逆反應）還是合成纖維（錦綸、腈綸），合成樹脂，合成橡膠等的重要原料。氮是一種營養(yǎng)元素還可以用來制作化肥。例如：碳酸氫銨NH4HCO3，氯化銨NH4Cl，硝酸銨NH4NO3等等。

氮氣彈簧(2張)

其他用途

由于氮的化學惰性，常用作保護氣體，如：瓜果，食品，燈泡填充氣。以防止某些物體暴露于空氣時被氧所氧化，用氮氣填充糧倉，可使糧食不霉爛、不發(fā)芽，長期保存。液氮還可用作深度冷凍劑。作為冷凍劑在醫(yī)院做除斑，包，豆等的手術時常常也使用，即將斑，包，豆等凍掉，但是容易出現(xiàn)疤痕，并不建議使用。高純氮氣用作色譜儀等儀器的載氣。用作銅管的光亮退火保護氣體。跟高純氦氣、高純二氧化碳一起用作激光切割機的激光氣體。氮氣也作為食品保鮮保護氣體的用途。在化工行業(yè)，氮氣主要用作保護氣體、置換氣體、洗滌氣體、安全保障氣體。用作鋁制品、鋁型材加工，鋁薄軋制等保護氣體。用作回流焊和波峰焊配套的保護氣體，提高焊接質量。用作浮法玻璃生產過程中的保護氣體，防錫槽氧化。 [3]

化學鍵

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由于單質N2在常況下異常穩(wěn)定，人們常誤認為氮是一種化學性質不活潑的元素。實際上相反，元素氮有很高的化學活性。N的電負性（3.04）僅次于F、O、Cl和Br，說明它能和其它元素形成較強的鍵。另外單質N2分子的穩(wěn)定性恰好說明N原子的活潑性。問題是人們還沒有找到在常溫常壓下能使N2分子活化的有利條件。但在自然界中，植物根瘤上的一些細菌卻能夠在常溫常壓的低能量條件下，把空氣中的N2轉化為氮化合物，作為肥料供作物生長使用。所以固氮的研究一直是一個重要的科學研究課題。因此我們有必要詳細了解氮的成鍵特性和價鍵結構。

氮氣結構式(3張)

鍵特性

氮氣分子中對成鍵有貢獻的是三對電子，即形成兩個π鍵和一個σ鍵。對成鍵沒有貢獻，成鍵與反鍵能量近似抵消，它們相當于孤電子對。由于N2分子中存在叁鍵N≡N，所以N2分子具有很大的穩(wěn)定性，將它分解為原子需要吸收941.69kJ/mol的能量。N2分子是已知的雙原子分子中最穩(wěn)定的，氮氣的相對分子質量是28。氮氣通常不易燃燒且不支持燃燒。化學式為N2。

鍵型

N原子的價電子層結構為2s2p3，即有3個成單電子和一對孤電子對，以此為基礎，在形成化合物時，可生成如下三種鍵型：

1.形成離子鍵

2.形成共價鍵

3.形成配位鍵

N原子有較高的電負性（3.04），它同電負性較低的金屬，如Li（電負性0.98）、Ca（電負性1.00）、Mg（電負性1.31）等形成二元氮化物時，能夠獲得3個電子而形成N3-離子。

N3-離子的負電荷較高，半徑較大（171pm），遇到水分子會強烈水解，因此的離子型化合物只能存在于干態(tài)，不會有N3-的水合離子。

共價鍵

N原子同電負性較高的非金屬形成化合物時，形成如下幾種共價鍵：

⑴N原子采取sp3雜化態(tài)，形成三個共價鍵，保留一對孤電子對，分子構型為三角錐型，例如NH3，NF3，NCl3等。若形成四個共價單鍵，則分子構型為正四面體型，例如銨根離子。

⑵N原子采取sp2雜化態(tài)，形成2個共價鍵和一個鍵，并保留有一對孤電子對，分子構型為角形，例如Cl—N=O 。（N原子與Cl 原子形成一個σ 鍵和一個π鍵，N原子上的一對孤電子對使分子成為角形。）若沒有孤電子對時，則分子構型為三角形，例如硝酸分子或硝酸根離子。硝酸分子中N原子分別與三個O原子形成三個σ鍵，它的π軌道上的一對電子和兩個O原子的成單π電子形成一個三中心四電子的不定域π鍵。在硝酸根離子中，三個O原子和中心N原子之間形成一個四中心六電子的不定域大π鍵。

這種結構使硝酸中N原子的表觀氧化數(shù)為+5，由于存在大π鍵，硝酸鹽在常況下是足夠穩(wěn)定的。

⑶N原子形成一個共價叁鍵，并保留有一對孤電子對，分子構型為直線形，例如N2分子和CN-中N原子的結構。（N原子不形成雜化軌道）

配位鍵

N原子在形成單質或化合物時，常保留有孤電子對，因此這樣的單質或化合物便可作為電子對給予體，向金屬離子配位。例如[Cu(NH3)4]2+或[Tu(NH2)5]7+等。 [2]

制備方法

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制氮工藝

現(xiàn)場制氮是指氮氣用戶自購制氮設備制氮，工業(yè)規(guī)模制氮有三類：即深冷空分制氮、變壓吸附制氮和膜分離制氮。利用各空氣的沸點不同使用液態(tài)空氣分離法，將氧氣和氮氣分離。將裝氮氣的瓶子漆成黑色，裝氧氣的漆成藍色。

實驗室制法

制備少量氮氣的基本原理是用適當?shù)?a target="_blank" data-lemmaid="2520415" style="color: rgb(19, 110, 194); text-decoration: none;">氧化劑將氨或銨鹽氧化，最常

高壓氮氣壓縮機增壓機(2張)

用的是如下幾種方法：（以下dilute代表極稀）

(1)加熱亞硝酸銨的濃溶液：(69.85℃)

(2)亞硝酸鈉的飽和溶液與氯化銨的飽和溶液相互作用：

(3)將氨氣通過紅熱的氧化銅：

(4)氨水與溴水反應：

(5)重鉻酸銨加熱分解：

(6)加熱疊氮化鈉，使其受熱分解，可得到很純的氮氣：

(7)鐵與濃度極稀的硝酸反應：

深冷空分制氮

它是一種傳統(tǒng)的空分技術，已有九十余年的歷史，它的特點是產氣量大，產品氮純度高，無須再純化便可直接應用于磁性材料，但它工藝流程復雜，占地面積大，基建費用高，需專門的維修力量，操作人員較多，產氣慢（18～24h），它適宜于大規(guī)模工業(yè)制氮，氮氣成本在0．7元/m3左右。

變壓吸附制氮

變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA）氣體分離技術是非低溫氣體分離技術的重要分支，是人們長期來努力尋找比深冷法更簡單的空分方法的結果。七十年代西德埃森礦業(yè)公司成功開發(fā)了碳分子篩，為PSA空分制氮工業(yè)化鋪平了道路。三十年來該技術發(fā)展很快，技術日趨成熟，在中小型制氮領域已成為深冷空分的強有力的競爭對手。

變壓吸附制氮是以空氣為原料，用碳分子篩作吸附劑，利用碳分子篩對空氣中的氧和氮選擇吸附的特性，運用變壓吸附原理（加壓吸附，減壓解吸并使分子篩再生）而在常溫使氧和氮分離制取氮氣。

變壓吸附制氮與深冷空分制氮相比，具有顯著的特點：吸附分離是在常溫下進行，工藝簡單，設備緊湊，占地面積小，開停方便，啟動迅速，產氣快（一般在30min左右），能耗小，運行成本低，自動化程度高，操作維護方便，撬裝方便，無須專門基礎，產品氮純度可在一定范圍內調節(jié)，產氮量≤2000Nm3/h。但到2017年為止，除美國空氣用品公司用PSA制氮技術，無須后級純化能工業(yè)化生產純度≥99.999%的高純氮外（進口價格很高），國內外同行一般用PSA制氮技術只能制取氮氣純度為99．9%的普氮（即O2≤0.1%），個別企業(yè)可制取99.99%的純氮（O2≤0.01%），純度更高從PSA制氮技術上是可能的，但制作成本太高，用戶也很難接受，所以用非低溫制氮技術制取高純氮還必須加后級純化裝置。

膜分離制氮

膜分離空分制氮也是非低溫制氮技術的新的分支，是80年代國外迅速發(fā)展起來的一種新的制氮方法，在國內推廣應用還是2010-2017年的事。

膜分離制氮是以空氣為原料，在一定的壓力下，利用氧和氮在中空纖維膜中的不同滲透速率來使氧、氮分離制取氮氣。它與上述兩種制氮方法相比，具有設備結構更簡單、體積更小、無切換閥門、操作維護也更為簡便、產氣更快（3min以內）、增容更方便等特點，但中空纖維膜對壓縮空氣清潔度要求更嚴，膜易老化而失效，難以修復，需要換新膜，膜分離制氮比較適合氮氣純度要求在≤98%左右的中小型用戶，此時具有較好功能價格比；當要求氮氣純度高于98%時，它與同規(guī)格的變壓吸附制氮裝置相比，價格要高出30%左右，故由膜分離制氮和氮純化裝置相組合制取高純氮時，普氮純度一般為98%，因而會增加純化裝置的制作成本和運行成本。

氮氣純化方法

加氫除氧法

在催化劑作用下，普氮中殘余氧和加入的氫發(fā)生化學反應生成水，其反應式：2H2+O2=2H2O，再通過后級干燥除去水份，而獲得下列主要成份的高純氮：N2≥99.999 %，O2≤5×10－6，H2≤1500×10－6，H2O≤10.7×10-6。制氮成本在0.5元/m3左右。

加氫除氧、除氫法

此法分三級，第一級加氫除氧，第二級除氫，第三級除水，獲得下列組成的高純氮：N2≥99.999%，O2≤5×10-6，H2≤5×10-6，H2O≤10.7×10-6。制氮成本在0.6元/m3左右。

碳脫氧法

在碳載型催化劑作用下（在一定溫度下），普氮中之殘氧和催化劑本身提供的碳發(fā)生反應，生成CO2。反應式：C+O2=CO2。再經過后級除CO2和H2O獲得下列組成的高純氮氣：N2≥99.999%，O2≤5×10-6，CO2≤5×10-6，H2O≤10.7×10-6。制氮成本在0.6元/m3左右。

優(yōu)劣評比

上述三種氮氣純化方法中，方法（1）因成品氮中H2量過高滿足不了磁性材料的要求，故不采用；方法（2）成品氮純度符合磁性材料用戶的要求，但需氫源，而且氫氣在運輸、貯存、使用中都存在不安全因素；方法（3）成品氮的質量完全可滿足磁性材料的用氣要求，工藝中不使用H2，無加氫法帶來的問題，氮中無H2且成品氮的質量不受普氮波動的影響，故和其他氮氣純法相比，氮氣質量更加穩(wěn)定，是最適合磁性材料行業(yè)中一種氮氣純化方法。 [3]

注意事項

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危險性

危險性類別：第2.2類惰性氣體

侵入途徑：吸入

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(tài)不穩(wěn)，稱之為“氮酩酊”，可進入昏睡或昏迷狀態(tài)。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(fā)生氮的麻醉作用；若從高壓環(huán)境下過快轉入常壓環(huán)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(fā)生“減壓病”。

環(huán)境危害：無

燃爆危險：本品不燃。

急救措施

皮膚接觸：沒事（因空氣中就含有約78%的氮）

眼睛接觸：沒事（理由同上）

吸入：（濃度較高時）迅速脫離現(xiàn)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。就醫(yī)。 [1]

消防措施

危險特性：若遇高熱，容器內壓增大，有開裂和爆炸的危險。

有害燃燒產物：氮氣。

滅火方法：本品不燃。盡可能將容器從火場移至空曠處。噴水保持火場容器冷卻，直至滅火結束用霧狀水保持火場中容器冷卻。可用霧狀水噴淋加速液氮蒸發(fā)，但不可使用水槍射至液氮。

泄漏應急處理

應急處理：迅速撤離泄漏污染區(qū)人員至上風處，并進行隔離，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(yè)工作服。盡可能切斷泄漏源。合理通風，加速擴散。漏氣容器要妥善處理，修復、檢驗后再用。 [2]

操作處置儲存

操作注意事項：密閉操作。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(guī)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。

儲存注意事項：儲存于陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不宜超過30℃。儲區(qū)應備有泄漏應急處理設備。 [2]

接觸控制

職業(yè)接觸限值：

中國MAC(mg/m3)：未制定標準

前蘇聯(lián)MAC(mg/m3)：未制定標準

TLVTN：ACGIH 窒息性氣體

TLVWN：未制定標準

監(jiān)測方法：

工程控制：密閉操作。提供良好的自然通風條件。

呼吸系統(tǒng)防護：一般不需特殊防護。當作業(yè)場所空氣中氧氣濃度低于18%時，必須佩戴空氣呼吸器、長管面具。

眼睛防護：一般不需特殊防護。

身體防護：穿一般作業(yè)工作服。

手防護：戴一般作業(yè)防護手套。

其它防護：避免高濃度吸入。進入罐、限制性空間或其它高濃度區(qū)作業(yè)，須有人監(jiān)護。 [2]

反應活性

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穩(wěn)定性：穩(wěn)定

禁配物：無

避免接觸的條件：無

聚合危害：聚合

燃燒（分解）產物：氮氣。 [2]

毒理學資料

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急性毒性：LD50：無資料

LC50：無資料

亞急性和慢性毒性：無資料

刺激性：無資料

致敏性：無資料

致突變性：無資料

致畸性：無資料

致癌性：無資料

其它：無資料。 [2]

生態(tài)學資料

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生態(tài)毒性：無資料

生物降解性：無資料

非生物降解性：無資料

生物富集或生物積累性：無資料

其它有害作用：無資料 [2]

廢棄處置

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廢棄處置方法：處置前應參閱國家和地方有關法規(guī)。廢氣可以直接排入大氣。 [2]

運輸信息

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危險貨物編號：22005

UN編號：1066

包裝標志：不燃氣體

包裝類別：O53

包裝方法：鋼質氣瓶；安瓿瓶外普通木箱。

運輸注意事項：采用鋼瓶運輸時必須戴好鋼瓶上的安全帽。鋼瓶一般平放，并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，并用三角木墊卡牢，防止?jié)L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。 [2]

法規(guī)信息

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法規(guī)信息：危險化學品安全管理條例（國務院第344號令），工作場所安全使用化學品規(guī)定（[1996]勞部發(fā)423號）等法規(guī)，針對化學危險品的安全使用、生產、儲存、運輸、裝卸等方面均作了相應規(guī)定；常用危險化學品的分類及標志（GB 13690-92）將該物質劃為第2.2 類不燃氣體。 [2]

氮的氧化物

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氮可以形成多種不同的氧化物。在氧化物中，氮的氧化數(shù)可以從+1到+5。其中以NO和NO2較為重要。

氮的氧化物的性質如下表：

名稱	化學式	狀態(tài)	顏色	化學性質	熔點（℃）	沸點（℃）	一般用途
一氧化二氮	N2O	氣態(tài)	無色	常溫下穩(wěn)定，注：即是笑氣	-90.8	-88.5	火箭和賽車的氧化劑及增加發(fā)動機的輸出功率。
一氧化氮	NO	氣態(tài)	無色(固態(tài)、液態(tài)時為藍色)	反應能力適中，強還原性	-163.6	-151.8	引起血管的擴張而引起勃起和生產硝酸
三氧化二氮	N2O3	液態(tài)	藍色	室溫下分解為NO和NO2	-102	-3.5（分解）	生產亞硝酸
二氧化氮	NO2	氣態(tài)	紅棕色	強氧化性	-11.2	21.2	生產硝酸
四氧化二氮	N2O4	氣態(tài)	無色	室溫下強烈地分解為NO2 注：即是二氧化氮二聚體	-92	21.3	火箭推進劑組分中的氧化劑
五氧化二氮	N2O5	固態(tài)	白色	不穩(wěn)定	30	47（分解）	生產硝酸

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最近更新: 2018-04-02
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