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氮气

百科说明
 

氮气

 
氮气,化学式为N2,通常状况下是一种无色无味的气体,而且一般氮气比空气密度小。氮气占大气总量的78.08%(体积分数),是空气的主要成份之一。在标准大气压下,氮气冷却至-195.8℃时,变成无色的液体,冷却至-209.8℃时,液态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质不活泼,常温下很难跟其他物质发生反应,所以常被用来制作防腐剂。但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化,用来制取对人类有用的新物质。

发现简史

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氮气在大气中含量虽多于氧气,但是由于它的性质不活泼,所以人们是在认识氧气之后才认识氮气的。不过它的发现却早于氧气。1755年英国化学家布拉克(Black,J.1728-1799)发现碳酸气之后不久,发现木炭在玻璃罩内燃烧后所生成的碳酸气,即使用苛性钾溶液吸收后仍然有较大量的空气剩下来。后来他的学生D·卢瑟福继续用动物做实验,把老鼠放进封闭的玻璃罩里直至其死后,发现玻璃罩中空气体积减少1/10;若将剩余的气体再用苛性钾溶液吸收,则会继续减少1/11的体积。D·卢瑟福发现老鼠不能生存的空气里燃烧蜡烛,仍然可以见到微弱的烛光;待蜡烛熄灭后,往其中放入少量的磷,磷仍能燃烧一会,对除掉空气中的助燃气来说,效果是好的。把磷燃烧后剩余的气体进行研究,D·卢瑟福发现这气体不能维持生命,具有灭火性质,也不溶于苛性钾溶液,因此命名为“浊气”或“毒气”。在同一年,普利斯特里作类似的燃烧实验,发现使1/5的空气变为碳酸气,用石灰水吸收后的气体不助燃也不助呼吸。由于他同D·卢瑟福都是深信燃素学说的,因此他们把剩下来的气体叫做“被燃素饱和了的空气”。

理化性质

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物理性质

氮气在常况下是一种无色无味的气体,占空气体积分数约78%(氧气约21%)。熔点是63 K,沸点是77 K,临界温度是126 K,难于液化。溶解度很小,常压下在283 K 时一体积水可溶解0.02体积的氮气。
氮气是难液化的气体。氮气在极低温下会液化成无色液体,进一步降低温度时,更会形成白色晶状固体。在生产中,通常采用黑色钢瓶盛放氮气。其他物理性质见下表: [1] 
项 目
化学式
相对分子质量
CAS登录号
EINECS登录号
英文名称
熔点
沸点,101.325kPa(1atm)时
临界温度
临界压力
临界体积
临界密度
临界压缩系数
液体密度,-180℃时
液体热膨胀系数,-180℃时
表面张力,-210℃时
气体密度,101.325 kPa(atm)和70F(21.1℃)时
气体相对密度,101.325 kPa(1atm)和70F时(空气=1)
汽化热,沸点下
熔化热,熔点下
气体定压比热容cp,25℃时
气体定容比热容cv,25℃时
气体比热容比,cp/cv
液体比热容,-183℃时
固体比热容,-223℃时
溶解度参数
液体摩尔体积
在水中的溶解度,25℃时
气体黏度,25℃时
液体黏度,-150℃时
气体热导率,25℃ 时
液体热导率,-150℃时
属 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)

化学性质

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的话,N2是热力学稳定状态结构。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(图中的虚线)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。在图中的一个比N2分子值低的是NH4+离子。
正价氮呈酸性,负价氮呈碱性。
由氮分子中三键键能很大,不容易被破坏,因此其化学性质十分稳定,只有在高温高压并有催化剂存在的条件下,气成分可以和氢气反应生成氨。同时,由于氮分子的化学结构比较稳定,氰根离子CN-和碳化钙CaC2中的C22-和氮分子结构相似。
氮分子中存在氮氮叁键,键能很大(941 KJ/mol),以至于加热到3273K时仅有0.1%离解,氮分子是已知双原子分子中最稳定的。氮气是CO的等电子体,在结构和性质上有许多相似之处。
不同活性的金属与氮气的反应情况不同。与碱金属在常温下直接化合;与碱土金属 —般需要在髙温下化合;与其他族元素的单质反应则需要更高的反应条件。

相关反应

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氮化物反应

氮化镁与水反应:
 
在放电条件下,氮气可以和氧气化合生成一氧化氮
 
一氧化氮与氧气迅速化合,生成二氧化氮
 
二氧化氮溶于水,生成硝酸和一氧化氮:
 
五氧化二氮溶于热水,生成硝酸:
 

活泼金属反应

N2 与金属锂在常温下就可直接反应,生成氮化锂
 
N2碱土金属Mg 、Ca 、Sr 、Ba 在加热的温度下反应,如:
 
N2与镁条在点燃的条件下反应,生成氮化镁
 

非金属反应

N2氢气反应制取氨气
  
(高温 高压 催化剂)
N2与硼要在白热的温度才能反应:
  
大分子化合物
N2与硅和其它族元素的单质一般要在高于1200℃的温度下才能反应。

大气固氮

N₂+O₂——→2NO ;2NO+O₂——→2NO₂ ;3NO₂+H₂O——→2HNO₃+NO [2] 
氮气的用途氮气的用途

氮气用途

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化工合成

人类能够有效利用氮气的主要途径是合成氨,但要求条件很高。近年来,人们在竭力弄清植物固氮的机理,争取用化学的方法模拟生物固氮,来实现在温和条件下开发利用空气中的氮资源。氮主要用于合成氨,反应式为
  
( 条件为高压,高温、和催化剂。反应为可逆反应)还是合成纤维(锦纶、腈纶),合成树脂,合成橡胶等的重要原料。 氮是一种营养元素还可以用来制作化肥。例如:碳酸氢铵NH4HCO3氯化铵NH4Cl,硝酸铵NH4NO3等等。
氮气弹簧
氮气弹簧(2张)
 
 

其他用途

由于氮的化学惰性,常用作保护气体,如:瓜果,食品,灯泡填充气。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。液氮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。高纯氮气用作色谱仪等仪器的载气。用作铜管的光亮退火保护气体。跟高纯氦气、高纯二氧化碳一起用作激光切割机的激光气体。氮气也作为食品保鲜保护气体的用途。在化工行业,氮气主要用作保护气体、置换气体、洗涤气体、安全保障气体。用作铝制品、铝型材加工,铝薄轧制等保护气体。用作回流焊和波峰焊配套的保护气体,提高焊接质量。用作浮法玻璃生产过程中的保护气体,防锡槽氧化。 [3] 

化学键

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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、O、Cl和Br,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。问题是人们还没有找到在常温常压下能使N2分子活化的有利条件。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。
氮气结构式
氮气结构式(3张)
 
 

键特性

氮气分子中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28。氮气通常不易燃烧且不支持燃烧。化学式为N2

键型

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
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。
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-水合离子

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,例如铵根离子。
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,例如硝酸分子或硝酸根离子。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。(N原子不形成杂化轨道)

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。 [2] 

制备方法

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制氮工艺

现场制氮是指氮气用户自购制氮设备制氮,工业规模制氮有三类:即深冷空分制氮、变压吸附制氮和膜分离制氮。利用各空气的沸点不同使用液态空气分离法,将氧气和氮气分离。将装氮气的瓶子漆成黑色,装氧气的漆成蓝色。

实验室制法

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
高压氮气压缩机增压机
高压氮气压缩机增压机(2张)
 
 
 用的是如下几种方法:(以下dilute代表极稀)
(1)加热亚硝酸铵的浓溶液:(69.85℃)
 
(2)亚硝酸钠饱和溶液氯化铵饱和溶液相互作用:
 
(3)将氨气通过红热的氧化铜
 
(4)氨水与溴水反应:
 
(5)重铬酸铵加热分解:
 
(6)加热叠氮化钠,使其受热分解,可得到很纯的氮气:
 
(7)铁与浓度极稀的硝酸反应:
 

深冷空分制氮

它是一种传统的空分技术,已有九十余年的历史,它的特点是产气量大,产品氮纯度高,无须再纯化便可直接应用于磁性材料,但它工艺流程复杂,占地面积大,基建费用高,需专门的维修力量,操作人员较多,产气慢(18~24h),它适宜于大规模工业制氮,氮气成本在0.7元/m3左右。

变压吸附制氮

变压吸附(Pressure Swing Adsorption,简称PSA)气体分离技术是非低温气体分离技术的重要分支,是人们长期来努力寻找比深冷法更简单的空分方法的结果。七十年代西德埃森矿业公司成功开发了碳分子筛,为PSA空分制氮工业化铺平了道路。三十年来该技术发展很快,技术日趋成熟,在中小型制氮领域已成为深冷空分的强有力的竞争对手。
变压吸附制氮是以空气为原料,用碳分子筛作吸附剂,利用碳分子筛对空气中的氧和氮选择吸附的特性,运用变压吸附原理(加压吸附,减压解吸并使分子筛再生)而在常温使氧和氮分离制取氮气。
变压吸附制氮与深冷空分制氮相比,具有显著的特点:吸附分离是在常温下进行,工艺简单,设备紧凑,占地面积小,开停方便,启动迅速,产气快(一般在30min左右),能耗小,运行成本低,自动化程度高,操作维护方便,撬装方便,无须专门基础,产品氮纯度可在一定范围内调节,产氮量≤2000Nm3/h。但到2017年为止,除美国空气用品公司用PSA制氮技术,无须后级纯化能工业化生产纯度≥99.999%的高纯氮外(进口价格很高),国内外同行一般用PSA制氮技术只能制取氮气纯度为99.9%的普氮(即O2≤0.1%),个别企业可制取99.99%的纯氮(O2≤0.01%),纯度更高从PSA制氮技术上是可能的,但制作成本太高,用户也很难接受,所以用非低温制氮技术制取高纯氮还必须加后级纯化装置。

膜分离制氮

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2010-2017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,此时具有较好功能价格比;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。

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。
优劣评比
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。 [3] 

注意事项

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危险性

危险性类别:第2.2类 惰性气体
侵入途径:吸入
健康危害:空气中氮气含量过高,使吸入气氧分压下降,引起缺氧窒息。吸入氮气浓度不太高时,患者最初感胸闷、气短、疲软无力;继而有烦躁不安、极度兴奋、乱跑、叫喊、神情恍惚、步态不稳,称之为“氮酩酊”,可进入昏睡或昏迷状态。吸入高浓度,患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。
潜水员深潜时,可发生氮的麻醉作用;若从高压环境下过快转入常压环境,体内会形成氮气气泡,压迫神经、血管或造成微血管阻塞,发生“减压病”。
环境危害:无
燃爆危险:本品不燃。

急救措施

皮肤接触:没事(因空气中就含有约78%的氮)
眼睛接触:没事(理由同上)
吸入:(浓度较高时)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。呼吸心跳停止时,立即进行人工呼吸和胸外心脏按压术。就医。 [1] 

消防措施

危险特性:若遇高热,容器内压增大,有开裂和爆炸的危险。
有害燃烧产物:氮气。
灭火方法:本品不燃。尽可能将容器从火场移至空旷处。喷水保持火场容器冷却,直至灭火结束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。

泄漏应急处理

应急处理: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,穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风,加速扩散。漏气容器要妥善处理,修复、检验后再用。 [2] 

操作处置储存

操作注意事项:密闭操作。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。
储存注意事项:储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。储区应备有泄漏应急处理设备。 [2] 

接触控制

中国MAC(mg/m3):未制定标准
前苏联MAC(mg/m3):未制定标准
TLVTN:ACGIH 窒息性气体
TLVWN:未制定标准
监测方法:
工程控制:密闭操作。提供良好的自然通风条件。
呼吸系统防护:一般不需特殊防护。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、长管面具。
眼睛防护:一般不需特殊防护。
身体防护:穿一般作业工作服。
手防护:戴一般作业防护手套。
其它防护:避免高浓度吸入。进入罐、限制性空间或其它高浓度区作业,须有人监护。 [2] 

相关数据

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外观与性状:无色无臭气体。
溶解性:难溶于水、乙醇。
主要用途:用于合成氨,制硝酸,用作物质保护剂,冷冻剂。
pH值:
熔点(℃):-209.8
相对密度(水=1):0.81(-196℃)
沸点(℃):-195.6
相对蒸气密度(空气=1):0.97
闪点(℃):无意义
辛醇/水分配系数:无资料
引燃温度(℃):无意义
爆炸下限[%(V/V)]:无意义
临界温度(℃):-147
爆炸上限[%(V/V)]:无意义
临界压力(MPa):3.40
饱和蒸气压(kPa):1026.42(-173℃)
其它理化性质:

反应活性

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稳定性:稳定
禁配物:无
避免接触的条件:无
聚合危害:聚合
燃烧(分解)产物:氮气。 [2] 

毒理学资料

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急性毒性:LD50:无资料
LC50:无资料
亚急性和慢性毒性:无资料
刺激性:无资料
致敏性:无资料
致突变性:无资料
致畸性:无资料
致癌性:无资料
其它:无资料。 [2] 

生态学资料

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生态毒性:无资料
生物降解性:无资料
非生物降解性:无资料
生物富集或生物积累性:无资料
其它有害作用:无资料 [2] 

废弃处置

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废弃处置方法:处置前应参阅国家和地方有关法规。废气可以直接排入大气。 [2] 

运输信息

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危险货物编号:22005
UN编号:1066
包装标志:不燃气体
包装类别:O53
包装方法:钢质气瓶;安瓿瓶外普通木箱。
运输注意事项:采用钢瓶运输时必须戴好钢瓶上的安全帽。钢瓶一般平放,并应将瓶口朝同一方向,不可交叉;高度不得超过车辆的防护栏板,并用三角木垫卡牢,防止滚动。严禁与易燃物或可燃物等混装混运。夏季应早晚运输,防止日光曝晒。铁路运输时要禁止溜放。 [2] 

法规信息

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法规信息:危险化学品安全管理条例(国务院第344号令),工作场所安全使用化学品规定 ([1996]劳部发423号)等法规,针对化学危险品的安全使用、生产、储存、运输、装卸等方面均作了相应规定;常用危险化学品的分类及标志(GB 13690-92)将该物质划为第2.2 类不燃气体。 [2] 

氮的氧化物

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氮可以形成多种不同的氧化物。在氧化物中,氮的氧化数可以从+1到+5。其中以NO和NO2较为重要。
氮的氧化物的性质如下表:
名称
状态
颜色
化学性质
熔点(℃)
沸点(℃)
一般用途
N2O
无色
常温下稳定,注:即是笑气
-90.8
-88.5
火箭和赛车的氧化剂及增加发动机的输出功率。
NO
气态
无色(固态、液态时为蓝色)
反应能力适中,强还原性
-163.6
-151.8
引起血管的扩张而引起勃起和生产硝酸
N2O3
液态
蓝色
室温下分解为NO和NO2
-102
-3.5(分解)
生产亚硝酸
NO2
气态
红棕色
强氧化性
-11.2
21.2
生产硝酸
N2O4
气态
无色
室温下强烈地分解为NO2
注:即是二氧化氮二聚体
-92
21.3
火箭推进剂组分中的氧化剂
N2O5
固态
白色
不稳定
30
47(分解)
生产硝酸
 
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  • 最近更新: 2018-04-02
  • 创建者:destoon

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