氮气

氮气（Nitrogen）是氮元素形成的一种单质，化学式N₂。氮气是空气的主要组成成分，体积分数约为78%（约4/5），比空气稍轻，密度为1.25 g/L。常温常压下，1体积水大约只溶解0.02体积氮气。氮气摩尔质量为28.01 g/mol；结构式为N≡N，键长109.8 pm，键能较大，为948.9 kJ/mol，结构稳定。常温常压下无色无味无毒，在-195.8℃时液化为液氮，-209.9℃时可变为雪状固态。氮气化学性质稳定，能与特别活泼的金属直接化合。氮气可用于灭火，液氮常用作冷冻剂。氮气在医药、食品加工、电器保护等领域常作保护气，还是工业合成氨、化肥等的重要原料。

1755年，英国化学家约瑟夫·布拉克（Joseph Black）通过煅烧石灰石发现了CO₂，认为这种气体是固定在石灰石中，因此将其命名为“固定空气”。他又发现“固定空气”能被苛性碱溶液吸收，使其变为性质温和的苏打；燃烧的蜡烛在“固定空气”中不能继续燃烧；麻雀和小鼠在“固定空气”中会室息死亡；木炭在玻璃罩内燃烧后的气体有一部分和“固定空气”相似，能被苛性碱溶液吸收，但继续加入苛性钾，总有气体剩余。1772年，英国化学家丹尼尔·卢瑟福（Daniel Rutherferford）研究发现“固定空气”既不助燃，不能溶于苛性碱，也不能维持呼吸，便将其命名为“浊气”。1772年英国化学家约瑟夫·普利斯特利（Joseph Priestley）把潮湿的硫磺粉放在密闭容器中，一段时间后，容器中的空气减少了1/5，经过研究发现，剩余气体与卢瑟福发现的“浊气”性质相似，且比空气轻。因普里斯特利相信燃素说，将这种剩余气体命名为“燃素化了的空气”或“被燃素饱和了的空气”。同年，瑞典化学家卡尔·威尔海姆·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）通过实验获得类似结果，并命名为“劣质空气”。1774年法国化学家安托万·洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier）将“劣质空气”命名为“Nitrogen”，意为“无益于生命”，即“氮”。

氮气广泛分布在自然界中。在空气中所占体积分数约为78%。动植物体中的蛋白质都含氮。氮在土壤中以硝酸盐的形式存在，如南美洲的智利硝酸盐矿藏，在地壳中的分度为19ppm。氮具有¹⁴N和¹⁵N两种天然同位素。氮气常常是一些低级生物像植物根瘤菌上的固氮细菌等的肥料，它们将空气中的氮气固定，转化为含氮化合物。

N原子的核外电子排布式为1s²2s²2p³，两个氮原子以氮氮三键结合。1个N原子与另一个N原子的两个2p轨道以“肩并肩”的形式形成π键，围绕在σ键的四周，所以N≡N键能大，为948.9  kJ/mol，不易断裂，N₂分子结构稳定。N≡N键长为109.8 pm，是由1个σ键和2个π键形成的，其中1个2p轨道与另一个N原子的2p轨道以“头碰头”的形式形成σ键，处于中间位置。

图2 N₂分子的形成过程及N₂的π键

图3 N₂的电子式

图4 N₂的路易斯结构式

图5 N₂的结构示意图

N₂分子有10个电子进入分子轨道，其中8个成键电子和2个反键电子，键级为3，稳定性非常高。N₂的分子轨道电子排布式为

，表明该分子间存在1个σ键和2个π键，与路易斯结构式相一致。

图6 N₂（同核双原子分子）的轨道能级图

等电子体是电子数和原子数均相等的分子、离子。互为等电子体的分子或离子在某些方面具有相似性质。N₂是2原子10电子的直线型分子，与NO⁺、CN、CO、C₂²⁻互为等电子体。

氮气与空气密度接近，比空气稍轻，密度为1.251 g/L（0 ℃，1 atm），摩尔质量为28.01 g/mol，微溶于水和乙醇，常温常压下，1体积水大约只溶解0.02体积氮气。在正常情况下，氮气对人体并无伤害，但在高压条件下，大量氮气会溶于血液导致氮醉。氮气是热和电的不良导体。标准大气压下，冷却至-195.8 ℃时氮气液化为液氮，-209.9 ℃时凝固成雪状固态。液氮与氮气相比，具有体积小（0 ℃时两者体积比为1/647，35℃时为1/731）、易储存、运输量小等优点。

氮气是一种双原子气体，结构稳定，化学性质稳定。氮气是一种惰性气体，不可燃，不助燃，不供人呼吸，无腐蚀性。在自然条件下，不发生化学反应。在一定条件下能与部分活泼金属和非金属单质化合。

氮可与一些特别活泼的金属反应，形成离子型氮化物。常温下能与锂直接化合生成氮化锂（Li₃N）：

高温时能与镁、钙、钡、锶直接化合生成相应的氮化物：

镁在空气中主要生成氮化镁，同时伴有少量的氧化镁（MgO）生成。

这些离子型氮化物又能与水反应生成氢氧化物和NH₃：

氮气与氢气在高温、高压、催化剂条件下生成氨（工业制氨，人工固氮）：

在放电条件或电弧作用下，氮气与氧气反应生成一氧化氮（NO）（自然固氮）：

在胺氰法中，氮气和热电石反应，生成氰氨化钙和碳：

然后热氨腈受到压力与水蒸汽发生反应，生成氨：

①在实验室，通过在溶液中加热亚硝酸钠（NaNO₂）和氯化铵（NH₄CI）的混合物来获得氮气。反应为：

②加热亚硝酸铵溶液：

③将氨通过红热的氧化铜：

④氨与溴水反应：

⑤重铬酸铵加热分解：

深空冷分制氮的原理是通过压缩、膨胀循环降低大气温度并使其成为液态，而后利用大气中组分沸点不同分离出氮氧。此方法最大的特点是能同时制取氧和氮并且产量大。

变压吸附法制氮气的原理是利用分子筛对空气加压吸附排氮、减压脱附排氧，从而将氮、氧分离。变压吸附制氮常采用的技术有碳分子筛（CMS）和沸石分子筛（MS）。碳分子筛是一种非极性速度分开型吸附剂，氧气在碳分子筛上的扩散速度大于氮气的扩散速度，因而氧气能够被碳分子筛优先吸附，氮气则富集于不吸附相在吸附塔流出。沸石分子筛制氮则是利用沸石分子筛对O₂、N₂吸附容量不同来分离N₂，不过其处理原料气和真空解吸等步骤繁杂，应用较少。

膜分离制氮技术的原理是，氧和氮在通过膜时，会先在膜中溶解，在外界能量或化学位能差的作用下，由于氧、氮对分离膜的渗透率不同，会分别在膜的两侧得到富集，达到分离气体的目的。

氮气具有高稳定性和化学惰性，因此可用于灭火。

氮气防灭火技术的优点：（1）工艺简单、操作方便、易于掌握；（2）无污染，对设备损害小，恢复生产快；（3）稀释抑爆；（4）有效抑制防灭火区域的漏风。氮气防灭火技术的缺点：（1）不能“长期”覆盖可燃物或已燃物的表面；（2）不能有效消除高温点，需用水、注浆以及凝胶等措施辅助灭火，防止复燃；（3）注氮气防火时，需要采取堵漏措施，控制氮气泄漏量在最低限度内；（4）较高浓度氮气易使人窒息。

氮气吸附法能够测量多孔材料的比表面积及孔径分布，该方法需要在液氮温度下进行。吸附法的原理是让一种吸附质分子吸附在待测样品表面，根据吸附量的多少来评测样品的表面积及孔径分布。

氮气是惰性气体，常做保护气。它可以在药品注射剂生产过程中防氧化；可用作局部用药气雾剂的抛射剂；还可用以置换易氧化溶液中的空气；还可用于置换终包装内产品上方的空气，例如盛装于玻璃安瓿中的注射剂产品。

在电器方面，氮气主要充当电缆、变压器的保护气体以及标准电容器的介质，防止绝缘油氧化、潮气侵入，抑制热老化。

氮气会在与钨结合形成氮化钨时释放过高的热量，从而加速钨阴极的损坏。在金属热处理方面，氮气可用于退火、光亮萍火、渗碳、碳氮共渗、粉末金属烧结、中性气体保护气氛。在电子工业方面，氮气气氛保护半导体元器件及集成电路、二极管、三极管的烧结生产。在石油化工方面，各类储罐、催化塔、管道等的充氮净化和压力检漏，石油化工催化剂的生产保护气氛。在化纤工业方面，化学行业原料干燥系统载气、光电纤维的生产过程保护。

为将粮食长期保存，可在粮仓中充入氮气，防止粮食发霉发芽。

氮气可用于啤酒生产、食品包装、液氮冷冻与保质粉碎、食用油小包装灌装等。在啤酒生产上，氮气可作二氧化碳的替代品，改善啤酒的泡沫性能，防止氧化。在食品包装上，利用氮气排除氧气，抑制食品的氧化和呼吸。在液氮冷冻与保质粉碎上，物料尤其是香料在制作过程中会出现打滑和发热现象，低温冷冻状态时物料变脆，打滑现象消失，碾磨更加顺利。

在食用油脂包装灌装过程中使用氮气可以降低氧浓度，延缓油脂的氧化酸败，提高稳定性，达到长期保存的目的。

氮气可作为电催化合成氨的原料。其原理是在电场作用下,通过类似水中还原H⁺成H₂的一个半反应，电子活化催化剂表面吸附的氮气，而后活化的氮进一步与水供质子发生加氢反应，从而在温和条件下和成氨。在不同的电解质中会发生不同的反应，反应方程式如下。

氮气作为制冷剂，可以类似橡胶物质的凝固磨碎、低温加工橡胶、工程技术部件的冷缩配合和安装、生物标本，如血液的的保存、在运输中制冷等。液氮还可应用于医疗领域，如在除斑、除包、除痘、皮肤治疗等手术时，将病体冻掉，但是容易出现疤痕。

乙烯基乙炔是丁二烯装置中最危险的原料，超过一定浓度会发生分解爆炸。使用氮气稀释可吸收乙烯基乙炔分解后的反应热，有效降低分解后的温度和压力。

氮气在汽车上的作用：保持稳定胎压，提高轮胎行驶的稳定性，保证驾驶的舒适性；有效减少轮胎的噪音，提高行驶的宁静度；可以防止爆胎和缺气碾行；延长轮胎使用寿命；减少油耗，保护环境。

在外延、光刻、清洗和蒸发等工序中，高纯度氮气可作为置换、干燥、贮存和输送用气体。另外，氮气还可作分析仪器的载气，如标准气、校正气、平衡气及在线仪表标准气等。

1.氮气储罐受热后瓶内压力增大，有爆炸危险。

2.吸入可迅速出现窒息昏迷、呼吸心跳停止，从而导致死亡。

储存于阴凉（<30℃）、通风的库房或密封金属瓶中，贮藏在阴凉、干燥处。远离火种、热源。

1.迅速将人员撤离泄露污染区的上风处，并进行隔离，严格限制出入。

2.做好个人防护，尽可能切断泄漏源。

3.合理通风，加速扩散。

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