氮氣

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。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，用石灰水吸收后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”。

氮氣在常況下是一種無色無味的氣體，占空氣體積分數約78%（氧氣約21%）。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：

由氮元素的氧化態-吉布斯自由能圖也可以看出，除了離子外，氧化數為0的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，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和兩點的連線（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。在圖中的一個比分子值低的是離子。

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，氰根離子和碳化鈣中的和氮分子結構相似。

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。

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：

N2 與金屬鋰在常溫下就可直接反應，生成氮化鋰：

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：

N2與氫氣反應製取氨氣：（高溫 高壓 催化劑）

N2與硼要在白熱的溫度才能反應：（大分子化合物）

N2與硅和其它族元素的單質一般要在高於1200℃的溫度下才能反應。

；；

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，來實現在溫和條件下開發利用空氣中的氮資源。氮主要用於合成氨，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。氮是一種營養元素還可以用來製作化肥。例如：碳酸氫銨，氯化銨，硝酸銨等等。

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，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。用作迴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。

由於單質在常況下異常穩定，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。

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，它們相當於孤電子對。由於分子中存在叄鍵N≡N，所以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。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。

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N離子。

N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干態，不會有N的水合離子。

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，，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。

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

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。例如或等。

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。

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℃)

(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：

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應用於磁性材料，但它工藝流程複雜，佔地面積大，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（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，佔地面積小，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≤2000Nm/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后級純化裝置。

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。

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：，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，H2O≤10.7×10。制氮成本在0.5元/m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：，≤5×10，≤5×10，≤10.7×10。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：。再經過後級除和獲得下列組成的高純氮氣：N2≥99.999%，O2≤5×10，CO2≤5×10，H2O≤10.7×10。制氮成本在0.6元/m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。

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。

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。

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。

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、檢驗后再用。

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，防止鋼瓶及附件破損。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。

職業接觸限值：

監測方法：

工程式控制制：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。

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。

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。

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，防止日光曝晒。鐵路運輸時要禁止溜放。

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。

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

氮的氧化物的性質如下表：