| 词条 | 氮气 |
| 释义 | 氮气氮气，无色、无臭、无味的气体，作为一种工业气体可由空气分离而得。液化温度77.35K，固化温度63.2K。稍溶于水或乙醇，化学性不活泼，高温下能与锂、镁、钙、钛等化合，并能直接与氧或氢化合。氮是空气的主要组分,空气中含氮78.09％（体积），空气中的氮因植物的根瘤菌作用、闪电或工业化学反应而得到固定，地球上的有机物质分解又使氮释放到大气中去。氮在大气中的浓度是这两者之间平衡的结果。1772年在苏格兰爱丁堡，由D.Rutherford发现。1774年法国A.L.拉瓦锡将这种气体命名为azote，含义是无益于生命。氮的英文名称来源于希腊文nitre，含义是硝石。 § 简介 名称氮气 英文名Nitrogen 分子式N2 用途用于化肥、医药、畜牧、冷藏和电子工业等 毒性防护氮气体身是无毒的。仅在氧气压力明显低时，才表现出氮气的毒性。在大气压力为3.923×10^6Pa(即在氮气的压力为3.138Pa下），对视、听和嗅觉刺激迟顿。生产液体氮时，要戴防护手套和眼镜，车间要通风，保证安全运输。 包装储运用6m3专用耐压钢瓶包装。属不燃气体，危规编号：34001。应贮存于阴凉、通风的库房中，仓温不宜超过30℃。应远离火种和热源，防止阳光直射。搬运时应轻装、轻卸，防止钢瓶及附件损坏。失火时，可用水和各种灭火器扑救。 物化性质无色、无臭、无味，中压缩至高压的气体。气体相对密度1.2506,液态相对密度0.8081(-195.8℃),固态相对密度1.026(-252.5℃)。熔点-209.86℃，沸点-195.8℃。临界量温度-147.1℃，临界压力3.35MPa。常温下化学性质稳定，加热至560℃时，能被镁、钙、锂和另外一些金属所吸收。在更高温度下能直接与氧和氢化合。溶于水（0℃时2.33cm3/100ml水，40℃时1.42cm3/100ml水），微溶于醇。液化温度77.35K，固化温度63.2K。 分子量 28.0134 § 物理性质 单质氮在常况下是一种无色无臭的气体，在标准情况下的气体密度是1.25g·dm-3，氮气在标准大气压下，冷却至-195.8℃时，变成没有颜色的液体，冷却至-209.86℃时，液态氮变成雪状的固体。 氮气在水里溶解度很小，在常温常压下，1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。它是个难于液化的气体。在水中的溶解度很小，在283K时，一体积水约可溶解0.02体积的N2。氮气在极低温下会液化成白色液体，进一步降低温度时，更会形成白色晶状固体。 § 化学性质 氮气氮气分子的分子轨道式为,对成键有贡献的是三对电子，即形成两个π键和一个σ键。对成键没有贡献，成键与反键 能量近似抵消，它们相当于孤电子对。由于N2分子中存在叁键N≡N，所以N2分子具有很大的稳定性，将它分解为原子需要吸收941.69kJ/mol的能量。N2分子是已知的双原子分子中最稳定的，氮气的相对分子质量是27。 检验方法： 将燃着的Mg条伸入盛有氮气的集气瓶，Mg条会继续燃烧 提取出燃烧剩下的灰烬（白色粉末Mg3N2），加入少量水，产生使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体（氨气） 反应方程式 Mg3＋N2＝Mg3N2(氮化镁) Mg3N2＋H6O2＝3Mg(OH)2＋N2H3 由氮元素的氧化态-吉布斯自由能图也可以看出，除了NH4离子外，氧化数为0的N2分子在图中曲线的最低点，这表明相对于其它氧化数的氮的化合物来讲，N2是热力学稳定状态。氧化数为0到+5之间的各种氮的化合物的值都位于HNO3和N2两点的连线的上方，因此，这些化合物在热力学上是不稳定的，容易发生歧化反应。在图中唯一的一个比N2分子值低的是NH4+离子。 由氮元素的氧化态-吉布斯自由能图和N2分子的结构均可以看出，单质N2不活泼，只有在高温高压并有催化剂存在的条件下，氮气可以和氢气反应生成氨： 在放电条件下，氮气才可以和氧气化合生成一氧化氮： 在水力发电很发达的国家，这个反应已用于生产硝酸。 N2与电离势小，而且其氮化物具有高晶格能的金属能生成离子型的氮化物。例如： N2与金属锂在常温下就可直接反应： 6Li+N2===2Li3N N2与碱土金属Mg、Ca、Sr、Ba在炽热的温度下作用： 3Ca+N2===Ca3N2 N2与硼和铝要在白热的温度才能反应： 2B+N2===2BN（大分子化合物） N2与硅和其它族元素的单质一般要在高于1473K的温度下才能反应。 § 制备 制氮机单质氮一般是由液态空气的分馏而制得的，常以1.5210pa的压力把氮气装在气体钢瓶中运输和使用。一般钢瓶中 氮气的纯度约99.7%。为获得纯氮，可在上述氮气中加入少量氨，并以Pt作催化剂，将氧除去，也可使不纯的氮通过赤热的铜或其他金属以除去微量的氧。 实验室中制备少量氮气的基本原理是用适当的氧化剂将氨或铵盐氧化，最常用的是如下几种方法： ⑴加热亚硝酸铵的溶液： 343k NH4NO2=====N2↑+2H2O ⑵亚硝酸钠与氯化铵的饱和溶液相互作用： NH4Cl+NaNO2===NaCl+2H2O+N2↑ ⑶将氨通过红热的氧化铜： 2NH3+3CuO===3Cu+3H2O+N2 ⑷氨与溴水反应： 8NH3+3Br2(aq)===6NH4Br+N2↑ ⑸重铬酸铵加热分解： （NH4)2Cr2O7===N2↑+Cr2O3+4H2O § 用途 氮主要用于合成氨，由此制造化肥、硝酸和炸药等，氨还是合成纤维（锦纶、腈纶），合成树脂，合成橡胶等的重要原料。由于氮的化学惰性，常用作保护气体。以防止某些物体暴露于空气时被氧所氧化，用氮气填充粮仓，可使粮食不霉烂、不发芽，长期保存。液氨还可用作深度冷冻剂。作为冷冻剂在医院做除斑，包，豆等的手术时常常也使用，即将斑，包，豆等冻掉，但是容易出现疤痕，并不建议使用。 相关技术 氮气几乎为惰性的双原子气体，化学性质极不活泼，气体分子比氧分子大，不易热涨冷缩，变形幅度小，其渗透轮胎胎壁的速度比空气慢约30～40%，能保持稳定胎压，提高轮胎行驶的稳定性，保证驾驶的舒适性；氮气的音频传导性低，相当于普通空气的1/5，使用氮气能有效减少轮胎的噪音，提高行驶的宁静度。氮气 防止爆胎和缺气碾行 爆胎是公路交通事故中的头号杀手，据统计，在高速公路上有46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的，其中爆胎一项就占轮胎事故总量的70%。汽车行驶时，轮胎温度会因与地面磨擦而升高，尤其在高速行驶及紧急刹车时，胎内气体温度会急速上升，胎压骤增，所以会有爆胎的可能。而高温导致轮胎橡胶老化，疲劳强度下降，胎面磨损剧烈，又是可能爆胎的重要因素。而与一般高压空气相比，高纯度氮气因为无氧且几乎不含水份不含油，其热膨胀系数低，热传导性低，升温慢，降低了轮胎聚热的速度，不可然也不助然等特性，所以可大大地减少爆胎的几率。 延长轮胎使用寿命氮气 使用氮气后，胎压稳定体积变化小，大大降低了轮胎不规则磨擦的可能性，如冠磨、胎肩磨、偏磨，提高了轮胎的使用寿命；橡胶的老化是受空气中的氧分子氧化所致，老化后其强度及弹性下降，且会有龟裂现象，这时造成轮胎使用寿命缩短的原因之一。氮气分离装置能极大限度地排除空气中的氧气、硫、油、水和其它杂质，有效降低了轮胎内衬层的氧化程度和橡胶被腐蚀的现象，不会腐蚀金属轮辋，延长了轮胎的使用寿命，也极大程度减少轮辋生锈的状况。 减少油耗，保护环保 轮胎胎压的不足与受热后滚动阴力的增加，会造成汽车行驶时的油耗增加；而氮气除了可以维持稳定的胎压，延缓胎压降低之外，其干燥且不油不含水，热传导性低，升温慢的特性，减低了轮胎行走时温度的提高，以及变形小抓地力提高等，降低了滚动阻力，从而达到减少油耗的目的。美国有关方面作过轮胎充氮气和充空气的对比实验，实验后统计结果表明，充氮气的比充空气的轮胎多跑26%的里程。充氮轮胎，可以按设计的胎压进行充气，可达到汽车设计时的油耗指标。实验证明，充氮轮胎比充空气轮胎节油2-10%。有效减少了空气污染。巴西人实践过，氮气充胎行驶了五万公里仍不需要补气。氮气轮胎比空气轮胎更耐磨损，在未达到踏面损耗指标之前就破损的轮胎中，充氮气轮胎平均跑的里程比充空气轮胎多出48%氮气 § 结构特性 氮气由于单质N2在常况下异常稳定，人们常误认为氮是一种化学性质不活泼的元素。实际上相反，元素氮有很高的化 学活性。N的电负性（3.04）仅次于F和O，说明它能和其它元素形成较强的键。另外单质N2分子的稳定性恰好说明N原子的活泼性。问题是目前人们还没有找到在常温常压下能使N2分子活化的最优条件。但在自然界中，植物根瘤上的一些细菌却能够在常温常压的低能量条件下，把空气中的N2转化为氮化合物，作为肥料供作物生长使用。所以固氮的研究一直是一个重要的科学研究课题。因此我们有必要详细了解氮的成键特性和价键结构。 N原子的价电子层结构为2s2p3，即有3个成单电子和一对孤电子对，以此为基础，在形成化合物时，可生成如下三种键型： 1.形成离子键 2.形成共价键 3.形成配位键 形成离子键 N原子有较高的电负性（3.04），它同电负性较低的金属，如Li（电负性0.98）、Ca（电负性1.00）、Mg（电负性1.31）等形成二元氮化物时，能够获得3个电子而形成N3-离子。 N2+6Li==2Li3N N2+3Ca==Ca3N2 N2+3Mg==Mg3N2 N3-离子的负电荷较高，半径较大（171pm），遇到水分子会强烈水解，因此的离子型化合物只能存在于干态，不会有N3-的水合离子。 形成共价键 N原子同电负性较高的非金属形成化合物时，形成如下几种共价键： ⑴N原子采取sp3杂化态，形成三个共价键，保留一对孤电子对，分子构型为三角锥型，例如NH3、NF3、NCl3等。 若形成四个共价单键，则分子构型为正四面体型，例如NH4+离子。 ⑵N原子采取sp2杂化态，形成2个共价键和一个键，并保留有一对孤电子对，分子构型为角形，例如Cl—N=O。（N原子与Cl原子形成一个σ键和一个π键，N原子上的一对孤电子对使分子成为角形。） 若没有孤电子对时，则分子构型为三角形，例如HNO3分子或NO3-离子。硝酸分子中N原子分别与三个O原子形成三个σ键，它的π轨道上的一对电子和两个O原子的成单π电子形成一个三中心四电子的不定域π键。在硝酸根离子中，三个O原子和中心N原子之间形成一个四中心六电子的不定域大π键。 这种结构使硝酸中N原子的表观氧化数为+5，由于存在大π键，硝酸盐在常况下是足够稳定的。 ⑶N原子采取sp杂化，形成一个共价叁键，并保留有一对孤电子对，分子构型为直线形，例如N2分子和CN-中N原子的结构。 形成配位键 N原子在形成单质或化合物时，常保留有孤电子对，因此这样的单质或化合物便可作为电子对给予体，向金属离子配位。例如[Cu(NH3)4]2+或[Tu(NH2)5]7等。 危险特性：若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。 § 氮气纯化方法 加氢除氧法 在催化剂作用下，普氮中残余氧和加入的氢发生化学反应生成水，其反应式：2H2＋O2＝2H2O，再通过 高压氮气压缩机增压机, 后级干燥除去水份，而获得下列主要成份的高纯氮：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。 加氢除氧、除氢法 此法分三级，第一级加氢除氧，第二级除氢，第三级除水，获得下列组成的高纯氮：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。 碳脱氧法 在碳载型催化剂作用下（在一定温度下），普氮中之残氧和催化剂本身提供的碳发生反应，生成CO2。反应式：C＋O2＝CO2。再经过后级除CO2和H2O获得下列组成的高纯氮气：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。 上述三种氮气纯化方法中，方法（1）因成品氮中H2量过高满足不了磁性材料的要求，故不采用；方法（2）成品氮纯度符合磁性材料用户的要求，但需氢源，而且氢气在运输、贮存、使用中都存在不安全因素；方法（3）成品氮的质量完全可满足磁性材料的用气要求，工艺中不使用H2，无加氢法带来的问题，氮中无H2且成品氮的质量不受普氮波动的影响，故和其他氮气纯法相比，氮气质量更加稳定，是最适合磁性材料行业中一种氮气纯化方法。 § 毒性与防护 1、呼吸系统防护：一般不需特殊防护。但当作业场所空气中氧气浓度低于18%时，必须佩戴空气呼吸器、氧气呼吸器或长管面具。 2、眼睛防护：戴安全防护面罩。 3、其它防护：避免高浓度吸入。 § 注意事项 氮气机密闭操作，提供良好的自然通风条件。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。防止气体泄漏到工作场所空气中。搬运时轻装轻卸，防止钢瓶及附件破损。配备泄漏应急处理设备。 消防应急措施与防护： 迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并进行隔离，严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器。不要直接接触泄漏物。尽可能切断泄漏源。防止气体在低凹处积聚，遇点火源着火爆炸。用排风机将漏出气送至空旷处。漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。 本品不然。用雾状水保持火场中容器冷却。可用雾状水喷淋加速液氮蒸发，但不可使用水枪射至液氮。 应急措施： 迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。 § 膜分离空分制氮与氮纯化装置相组合 膜分离空分制氮也是非低温制氮技术的新的分支，是80年代国外迅速发展起来的一种新的制氮方法，在国内推广应用还是近几年的事。 膜分离制氮是以空气为原料，在一定的压力下，利用氧和氮在中空纤维膜中的不同渗透速率来使氧、氮分离制取氮气。它与上述两种制氮方法相比，具有设备结构更简单、体积更小、无切换阀门、操作维护也更为简便、产气更快（3min以内）、增容更方便等特点，但中空纤维膜对压缩空气清洁度要求更严，膜易老化而失效，难以修复，需要换新膜，膜分离制氮比较适合氮气纯度要求在≤98%左右的中小型用户，此时具有最佳功能价格比；当要求氮气纯度高于98%时，它与同规格的变压吸附制氮装置相比，价格要高出30%左右，故由膜分离制氮和氮纯化装置相组合制取高纯氮时，普氮纯度一般为98%，因而会增加纯化装置的制作成本和运行成本。 § 相关词条 氨气空气 臭氧氧气 氯气甲烷 § 参考资料 1：http://club.it.sohu.com/r-yuzhou-169600-0-0-0.html 2：http://www.chem.com.cn/dictionary/chem_dictionary.aspx?name=%B5%AA%C6%F 3：氮气 http://www.51qiti.com/files/Product224.htm |
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