氮氣

氮氣（Nitrogen）是氮元素形成的一種單質，化學式N?。氮氣是空氣的主要組成成分，體積分數約為78%（約4/5），比空氣稍輕，密度為1.25 g/L。常溫常壓下，1體積水大約只溶解0.02體積氮氣。氮氣摩爾質量為28.01 g/mol；結構式為N≡N，鍵長109.8 pm，鍵能較大，為948.9 kJ/mol，結構穩定。常溫常壓下無色無味無毒，在-195.8℃時液化為液氮，-209.9℃時可變為雪狀固態。氮氣化學性質穩定，能與特別活潑的金屬直接化合。氮氣可用于滅火，液氮常用作冷凍劑。氮氣在醫藥、食品加工、電器保護等領域常作保護氣，還是工業合成氨、化肥等的重要原料。

1755年，英國化學家約瑟夫·布拉克（Joseph Black）通過煅燒石灰石發現了CO?，認為這種氣體是固定在石灰石中，因此將其命名為“固定空氣”。他又發現“固定空氣”能被苛性堿溶液吸收，使其變為性質溫和的蘇打；燃燒的蠟燭在“固定空氣”中不能繼續燃燒；麻雀和小鼠在“固定空氣”中會室息死亡；木炭在玻璃罩內燃燒后的氣體有一部分和“固定空氣”相似，能被苛性堿溶液吸收，但繼續加入苛性鉀，總有氣體剩余。1772年，英國化學家丹尼爾·盧瑟福（Daniel Rutherferford）研究發現“固定空氣”既不助燃，不能溶于苛性堿，也不能維持呼吸，便將其命名為“濁氣”。1772年英國化學家約瑟夫·普利斯特利（Joseph Priestley）把潮濕的硫磺粉放在密閉容器中，一段時間后，容器中的空氣減少了1/5，經過研究發現，剩余氣體與盧瑟福發現的“濁氣”性質相似，且比空氣輕。因普里斯特利相信燃素說，將這種剩余氣體命名為“燃素化了的空氣”或“被燃素飽和了的空氣”。同年，瑞典化學家卡爾·威爾海姆·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）通過實驗獲得類似結果，并命名為“劣質空氣”。1774年法國化學家安托萬·洛朗·拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）將“劣質空氣”命名為“Nitrogen”，意為“無益于生命”，即“氮”。

氮氣廣泛分布在自然界中。在空氣中所占體積分數約為78%。動植物體中的蛋白質都含氮。氮在土壤中以硝酸鹽的形式存在，如南美洲的智利硝酸鹽礦藏，在地殼中的分度為19ppm。氮具有1?N和1?N兩種天然同位素。氮氣常常是一些低級生物像植物根瘤菌上的固氮細菌等的肥料，它們將空氣中的氮氣固定，轉化為含氮化合物。

N原子的核外電子排布式為1s22s22p3，兩個氮原子以氮氮三鍵結合。1個N原子與另一個N原子的兩個2p軌道以“肩并肩”的形式形成π鍵，圍繞在σ鍵的四周，所以N≡N鍵能大，為948.9? kJ/mol，不易斷裂，N?分子結構穩定。N≡N鍵長為109.8 pm，是由1個σ鍵和2個π鍵形成的，其中1個2p軌道與另一個N原子的2p軌道以“頭碰頭”的形式形成σ鍵，處于中間位置。

圖2 N?分子的形成過程及N?的π鍵

圖3 N?的電子式

圖4 N?的路易斯結構式

圖5 N?的結構示意圖

N?分子有10個電子進入分子軌道，其中8個成鍵電子和2個反鍵電子，鍵級為3，穩定性非常高。N?的分子軌道電子排布式為

，表明該分子間存在1個σ鍵和2個π鍵，與路易斯結構式相一致。

圖6 N?（同核雙原子分子）的軌道能級圖

等電子體是電子數和原子數均相等的分子、離子。互為等電子體的分子或離子在某些方面具有相似性質。N?是2原子10電子的直線型分子，與NO?、CN、CO、C?2?互為等電子體。

氮氣與空氣密度接近，比空氣稍輕，密度為1.251 g/L（0 ℃，1 atm），摩爾質量為28.01 g/mol，微溶于水和乙醇，常溫常壓下，1體積水大約只溶解0.02體積氮氣。在正常情況下，氮氣對人體并無傷害，但在高壓條件下，大量氮氣會溶于血液導致氮醉。氮氣是熱和電的不良導體。標準大氣壓下，冷卻至-195.8 ℃時氮氣液化為液氮，-209.9 ℃時凝固成雪狀固態。液氮與氮氣相比，具有體積小（0 ℃時兩者體積比為1/647，35℃時為1/731）、易儲存、運輸量小等優點。

氮氣是一種雙原子氣體，結構穩定，化學性質穩定。氮氣是一種惰性氣體，不可燃，不助燃，不供人呼吸，無腐蝕性。在自然條件下，不發生化學反應。在一定條件下能與部分活潑金屬和非金屬單質化合。

氮可與一些特別活潑的金屬反應，形成離子型氮化物。常溫下能與鋰直接化合生成氮化鋰（Li?N）：

高溫時能與鎂、鈣、鋇[bèi]、鍶[sī]直接化合生成相應的氮化物：

鎂在空氣中主要生成氮化鎂，同時伴有少量的氧化鎂（MgO）生成。這些離子型氮化物又能與水反應生成氫氧化物和NH?：

氮氣與氫氣在高溫、高壓、催化劑條件下生成氨（工業制氨，人工固氮）：

在放電條件或電弧作用下，氮氣與氧氣反應生成一氧化氮（NO）（自然固氮）：

在胺氰[qíng]法中，氮氣和熱電石反應，生成氰氨化鈣和碳：

然后熱氨腈受到壓力與水蒸汽發生反應，生成氨：

①在實驗室，通過在溶液中加熱亞硝酸鈉（NaNO?）和氯化銨（NH?CI）的混合物來獲得氮氣。反應為：

②加熱亞硝酸銨溶液：

③將氨通過紅熱的氧化銅：

④氨與溴水反應：

⑤重鉻酸銨加熱分解：

深空冷分制氮的原理是通過壓縮、膨脹循環降低大氣溫度并使其成為液態，而后利用大氣中組分沸點不同分離出氮氧。此方法xxx的特點是能同時制取氧和氮并且產量大。

變壓吸附法制氮氣的原理是利用分子篩對空氣加壓吸附排氮、減壓脫附排氧，從而將氮、氧分離。變壓吸附制氮常采用的技術有碳分子篩（CMS）和沸石分子篩（MS）。碳分子篩是一種非極性速度分開型吸附劑，氧氣在碳分子篩上的擴散速度大于氮氣的擴散速度，因而氧氣能夠被碳分子篩優先吸附，氮氣則富集于不吸附相在吸附塔流出。沸石分子篩制氮則是利用沸石分子篩對O?、N?吸附容量不同來分離N?，不過其處理原料氣和真空解吸等步驟繁雜，應用較少。

膜分離制氮技術的原理是，氧和氮在通過膜時，會先在膜中溶解，在外界能量或化學位能差的作用下，由于氧、氮對分離膜的滲透率不同，會分別在膜的兩側得到富集，達到分離氣體的目的。

氮氣具有高穩定性和化學惰性，因此可用于滅火。氮氣防滅火技術的優點：（1）工藝簡單、操作方便、易于掌握；（2）無污染，對設備損害小，恢復生產快；（3）稀釋抑爆；（4）有效抑制防滅火區域的漏風。氮氣防滅火技術的缺點：（1）不能“長期”覆蓋可燃物或已燃物的表面；（2）不能有效消除高溫點，需用水、注漿以及凝膠等措施輔助滅火，防止復燃；（3）注氮氣防火時，需要采取堵漏措施，控制氮氣泄漏量在最低限度內；（4）較高濃度氮氣易使人窒息。

氮氣吸附法能夠測量多孔材料的比表面積及孔徑分布，該方法需要在液氮溫度下進行。吸附法的原理是讓一種吸附質分子吸附在待測樣品表面，根據吸附量的多少來評測樣品的表面積及孔徑分布。

氮氣是惰性氣體，常做保護氣。它可以在藥品注射劑生產過程中防氧化；可用作局部用藥氣霧劑的拋射劑；還可用以置換易氧化溶液中的空氣；還可用于置換終包裝內產品上方的空氣，例如盛裝于玻璃安瓿[bù]中的注射劑產品。在電器方面，氮氣主要充當電纜、變壓器的保護氣體以及標準電容器的介質，防止絕緣油氧化、潮氣侵入，抑制熱老化。氮氣會在與鎢結合形成氮化鎢時釋放過高的熱量，從而加速鎢陰極的損壞。在金屬熱處理方面，氮氣可用于退火、光亮萍火、滲碳、碳氮共滲、粉末金屬燒結、中性氣體保護氣氛。在電子工業方面，氮氣氣氛保護半導體元器件及集成電路、二極管、三極管的燒結生產。在石油化工方面，各類儲罐、催化塔、管道等的充氮凈化和壓力檢漏，石油化工催化劑的生產保護氣氛。在化纖工業方面，化學行業原料干燥系統載氣、光電纖維的生產過程保護。為將糧食長期保存，可在糧倉中充入氮氣，防止糧食發霉發芽。

氮氣可用于啤酒生產、食品包裝、液氮冷凍與保質粉碎、食用油小包裝灌裝等。在啤酒生產上，氮氣可作二氧化碳的替代品，改善啤酒的泡沫性能，防止氧化。在食品包裝上，利用氮氣排除氧氣，抑制食品的氧化和呼吸。在液氮冷凍與保質粉碎上，物料尤其是香料在制作過程中會出現打滑和發熱現象，低溫冷凍狀態時物料變脆，打滑現象消失，碾磨更加順利。在食用油脂包裝灌裝過程中使用氮氣可以降低氧濃度，延緩油脂的氧化酸敗，提高穩定性，達到長期保存的目的。

氮氣可作為電催化合成氨的原料。其原理是在電場作用下,通過類似水中還原H?成H?的一個半反應，電子活化催化劑表面吸附的氮氣，而后活化的氮進一步與水供質子發生加氫反應，從而在溫和條件下和成氨。在不同的電解質中會發生不同的反應，反應方程式如下。

氮氣作為制冷劑，可以類似橡膠物質的凝固磨碎、低溫加工橡膠、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、在運輸中制冷等。液氮還可應用于醫療領域，如在除斑、除包、除痘、皮膚治療等手術時，將病體凍掉，但是容易出現疤痕。

乙烯基乙炔是丁二烯裝置中最危險的原料，超過一定濃度會發生分解爆炸。使用氮氣稀釋可吸收乙烯基乙炔分解后的反應熱，有效降低分解后的溫度和壓力。

氮氣在汽車上的作用：保持穩定胎壓，提高輪胎行駛的穩定性，保證駕駛的舒適性；有效減少輪胎的噪音，提高行駛的寧靜度；可以防止爆胎和缺氣碾行；延長輪胎使用壽命；減少油耗，保護環境。在外延、光刻、清洗和蒸發等工序中，高純度氮氣可作為置換、干燥、貯存和輸送用氣體。另外，氮氣還可作分析儀器的載氣，如標準氣、校正氣、平衡氣及在線儀表標準氣等。

1.氮氣儲罐受熱后瓶內壓力增大，有爆炸危險。2.吸入可迅速出現窒息昏迷、呼吸心跳停止，從而導致死亡。

儲存于陰涼（<30℃）、通風的庫房或密封金屬瓶中，貯藏在陰涼、干燥處。遠離火種、熱源。

1.迅速將人員撤離泄露污染區的上風處，并進行隔離，嚴格限制出入。2.做好個人防護，盡可能切斷泄漏源。3.合理通風，加速擴散。