基本介紹
- 中文名：氮氣
- 英文名：Nitrogen
- 別稱：氮單質
- 化學式：N2
- 分子量：28.013
- CAS登錄號：7727-37-9
- EINECS登錄號：231-783-9
- 熔點：-211.4℃
- 沸點：-195.8℃
- 水溶性：難溶於水
- 密度：1.25g/L（0攝氏度，1標準大氣壓）
- 外觀：無色無味氣體
- 套用：合成氨,作保護氣，用於降溫,作防腐劑等
- 安全性描述：可用於滅火
- 危險性描述：空氣中氮氣含量過高，使吸入氣氧分壓下降，引起缺氧窒息。
- 危險品運輸編號：22005（壓縮） 22006（液化）
- 能耗工質：0.671千克標煤/立方米
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發現簡史
氮氣在大氣中含量雖多於氧氣，但是由於它的性質不活潑，所以人們是在認識氧氣之後才認識氮氣的。不過它的發現卻早於氧氣。1755年英國化學家布拉克（Black,J.1728-1799）發現碳酸氣之後不久，發現木炭在玻璃罩內燃燒後所生成的碳酸氣，即使用苛性鉀溶液吸收後仍然有較大量的空氣剩下來。後來他的學生D·盧瑟福繼續用動物做實驗，把老鼠放進封閉的玻璃罩里直至其死後，發現玻璃罩中空氣體積減少1/10；若將剩餘的氣體再用苛性鉀溶液吸收，則會繼續減少1/11的體積。D·盧瑟福發現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；待蠟燭熄滅後，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。把磷燃燒後剩餘的氣體進行研究，D·盧瑟福發現這氣體不能維持生命，具有滅火性質，也不溶於苛性鉀溶液，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，發現使1/5的空氣變為碳酸氣，用石灰水吸收後的氣體不助燃也不助呼吸。由於他同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
物理性質
氮氣在常況下是一種無色無味的氣體，熔點是63 K，沸點是77 K，臨界溫度是126 K，難於液化。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，通常採用黑色鋼瓶盛放氮氣。其他物理性質見下表：
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 臨界壓縮係數 液體密度，-180℃時 液體熱膨脹係數，-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 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-吉布斯自由能圖也可以看出，除了NH4+離子外，氧化數為0的N2分子在圖中曲線的最低點，這表明相對於其它氧化數的氮的化合物來講的話，N2是熱力學穩定狀態結構。氧化數為0到+5之間的各種氮的化合物的值都位於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定的，容易發生歧化反應。在圖中的一個比N2分子值低的是NH4+離子。
正價氮呈酸性，負價氮呈鹼性。
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定，只有在高溫高壓並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，由於氮分子的化學結構比較穩定，氰根離子CN-和碳化鈣CaC2中的C22-和氮分子結構相似。
氮分子中存在氮氮叄鍵，鍵能很大（941 KJ/mol），以至於加熱到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。與鹼金屬在常溫下直接化合；與鹼土金屬 —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。
相關反應
氮化物反應
氮化鎂與水反應：
在放電條件下，氮氣可以和氧氣化合生成一氧化氮：
一氧化氮與氧氣迅速化合，生成二氧化氮：
二氧化氮溶於水，生成硝酸和一氧化氮：
五氧化二氮溶於熱水，生成硝酸：
活潑金屬反應
N2與鹼土金屬Mg 、Ca 、Sr 、Ba 在加熱的溫度下反應，如：
N2與鎂條在點燃的條件下反應，生成氮化鎂：
非金屬反應
N2與硼要在白熱的溫度才能反應：
（大分子化合物）
N2與矽和其它族元素的單質一般要在高於1200℃的溫度下才能反應。
大氣固氮
N2+O2——→2NO ；2NO+O2——→2NO2 ；3NO2+H2O——→2HNO3+NO
氮氣的用途氮氣用途
化工合成
其他用途
由於氮的化學惰性，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於空氣時被氧所氧化，用氮氣填充糧倉，可使糧食不霉爛、不發芽，長期保存。液氮還可用作深度冷凍劑。作為冷凍劑在醫院做除斑，包，豆等的手術時常常也使用，即將斑，包，豆等凍掉，但是容易出現疤痕，並不建議使用。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雷射切割機的雷射氣體。氮氣也作為食品保鮮保護氣體的用途。在化工行業，氮氣主要用作保護氣體、置換氣體、洗滌氣體、安全保障氣體。用作鋁製品、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。
化學鍵
由於單質N2在常況下異常穩定，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）僅次於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。
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。 對成鍵有貢獻，成鍵與反鍵能量近似抵消，它們相當於孤電子對。由於N2分子中存在叄鍵N≡N，所以N2分子具有很大的穩定性，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
1.形成離子鍵
2.形成共價鍵
3.形成配位鍵
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於乾態，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原子採取sp3雜化態，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原子採取sp2雜化態，形成2個共價鍵和一個鍵，並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原子的表觀氧化數為+5，由於存在大π鍵，硝酸鹽在常況下是足夠穩定的。
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。
製備方法
制氮工藝
現場制氮是指氮氣用戶自購制氮設備制氮，工業規模製氮有三類：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。
實驗室製法
製備少量氮氣的基本原理是用適當的氧化劑將氨或銨鹽氧化，最常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℃)
(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
它是一種傳統的空分技術，已有九十餘年的歷史，它的特點是產氣量大，產品氮純度高，無須再純化便可直接套用於磁性材料，但它工藝流程複雜，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），它適宜於大規模工業制氮，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公司成功開發了碳分子篩，為PSA空分制氮工業化鋪平了道路。三十年來該技術發展很快，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，減壓解吸並使分子篩再生）而在常溫使氧和氮分離製取氮氣。
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範圍內調節，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，無須後級純化能工業化生產純度≥99.999%的高純氮外（進口價格很高），國內外同行一般用PSA制氮技術只能製取氮氣純度為99．9%的普氮（即O2≤0.1%），個別企業可製取99.99%的純氮（O2≤0.01%），純度更高從PSA制氮技術上是可能的，但製作成本太高，用戶也很難接受，所以用非低溫制氮技術製取高純氮還必須加後級純化裝置。
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年代國外迅速發展起來的一種新的制氮方法，在國內推廣套用還是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、氮分離製取氮氣。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；當要求氮氣純度高於98%時，它與同規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製取高純氮時，普氮純度一般為98%，因而會增加純化裝置的製作成本和運行成本。
氮氣純化方法
加氫除氧法
在催化劑作用下，普氮中殘餘氧和加入的氫發生化學反應生成水，其反應式：2H2+O2=2H2O，再通過後級乾燥除去水份，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生反應，生成CO2。反應式：C+O2=CO2。再經過後級除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，故不採用；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，氮氣質量更加穩定，是最適合磁性材料行業中一種氮氣純化方法。
注意事項
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”。
環境危害：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。
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。儘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，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，防止鋼瓶及附屬檔案破損。配備泄漏應急處理設備。
儲存注意事項：儲存於陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不宜超過30℃。儲區應備有泄漏應急處理設備。
接觸控制
監測方法：
工程控制：密閉操作。提供良好的自然通風條件。
呼吸系統防護：一般不需特殊防護。當作業場所空氣中氧氣濃度低於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：穿一般作業工作服。
手防護：戴一般作業防護手套。
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作業，須有人監護。
相關數據
外觀與性狀：無色無臭氣體。 溶解性：難溶於水、乙醇。 主要用途：用於合成氨，制硝酸，用作物質保護劑，冷凍劑。 pH值： 熔點(℃)：-209.8 相對密度(水=1)：0.81(-196℃) 沸點(℃)：-195.6 相對蒸氣密度(空氣=1)：0.97 閃點(℃)：無意義 辛醇/水分配係數：無資料 引燃溫度(℃)：無意義 爆炸下限[%(V/V)]：無意義 臨界溫度(℃)：-147 爆炸上限[%(V/V)]：無意義 臨界壓力(MPa)：3.40 飽和蒸氣壓(kPa)：1026.42(-173℃) 其它理化性質： |
反應活性
穩定性：穩定
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。
毒理學資料
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。
生態學資料
生態毒性：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
廢棄處置
廢棄處置方法：處置前應參閱國家和地方有關法規。廢氣可以直接排入大氣。
運輸信息
危險貨物編號：22005
UN編號：1066
包裝標誌：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：採用鋼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。
法規信息
法規信息：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定 （[1996]勞部發423號）等法規，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定；常用危險化學品的分類及標誌（GB 13690-92）將該物質劃為第2.2 類不燃氣體。
氮的氧化物
氮的氧化物的性質如下表：
