氮气

氮元素形成的一种单质

氮气（Nitrogen），是氮元素形成的一种单质，化学式N2。常温常压下是一种无色无味的气体，只有在高温高压及催化剂条件下才能和氢气反应生成氨气，在放电的情况下能和氧气化合生成一氧化氮；即使Ca、Mg、Sr和Ba等活泼金属也只有在加热的情形下才能与其反应。

研究简史

瑞典化学家卡尔·谢勒（CarlScheele）和苏格兰植物学家丹尼尔·卢瑟福（Daniel Rutherford）在1772年分别发现了氮。牧师卡文迪许和拉瓦锡也在差不多的同一时间独立地获得了氮。Rutherford在他的老师Joseph Black的启发下，研究含碳物质在有限量的空气中燃烧后所留下的残余“空气”的性质时，他用KOH除去CO2，从而获得了氮。他认为这是从已燃烧的物质中吸收了燃素的普通空气。有些人不顾A. L. Lavoisier的研究成果，直到1840年还在争论关于氮气的基本性质。

氮（Nitrogen）这个名称，在1970年由Jean-Antoine-ClaudeChaptal提出，是基于它是硝酸和硝酸盐的一个组分的考虑（希腊文Νιτροζόλη，硝酸灵）。由于这种气体的窒息性，Lavoisier更喜欢用azote（氮）这个名称（希腊文άψυχη，无生命），而且这个名称在语法中以诸如azo、dizao、azide等形式还在使用。德文名称stickstoff指的是相同的性质（sticken,窒息或闷熄）。

理化性质

物理性质

物质结构

氮分子中的两个氮原子之间形成一条σ键和两个π键。与类似的CO、C2H4等分子相比，N2的成键分子轨道σ2p（-15.59 eV）和π2p（-16.73 eV）能量比较低，反键分子轨道π*2p（8.17 eV）能量比较高，不但难以接受电子也不易给出电子，具有较强的稳定性，离解能高达945 kJ/mol，即使在3273 K时也不分解。

化学性质

反应数字可以未知，未知化学物质居多。但在一定条件下，与碱金属反应，相当于在氮分子的反键分子轨道上填充一个电子，金属的给电子能力越强，反应越易进行。如，在常温下锂可与氮直接反应，而钙需要加热到一定条件才能于氮气反应：

ⅢA和ⅣA族的一些元素在加热条件下能与氮气反应：

在高温、高压和催化剂存在的条件下，氮能与氢反应生成氨：

氮气在放电条件下能与氧气反应生成NO：

氮气在催化下也能被氧化为NO2：

制备方法

工业制备

液态空气分馏法

氮气主要是从大气中分离或含氮化合物的分解制得的。每年通过液化空气生产超过3,300万吨的氮气，然后使用分馏的方法在大气中生产氮气以及其他气体。

深冷分离法

深冷分离法工艺已经历了100多年的发展，先后经历了高压、高低压、中压和全低压流程等多种不同的工艺流程。随着现代空分工艺技术和设备的发展，高压、高低压、中压空分流程已基本被淘汰，能耗更低、生产更安全的全低压流程已成为大中型低温空分装置的首选。

全低压空分工艺根据氧氮产品压缩环节不同，又分为外压缩流程和内压缩流程。全低压外压缩流程生产出低压氧气或氮气，然后经外置的压缩机将产品气体压缩至所需压力供给用户。全低压内压缩流程将精馏产生的液态氧或液态氮在冷箱内通过液体泵加压至用户所需压力后汽化，并在主换热器内复热后供给用户。主要工艺过程为原料空气过滤、压缩、冷却、纯化、增压、膨胀、精馏、分离、复热、外供。

膜分离法

膜分离技术是基于薄膜对气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化的目的。气体中各种组分透过膜的速度不同，每种组分透过膜的速度与该气体的性质、膜的特性和膜两面的分压差有关。透过膜的气体组分不可能达到100%的纯度。气体分离膜通常可分为多孔材质和非多孔材质，它们无机物（多孔玻璃、陶瓷、金属、电子导电性固体和钯合金等）或有机高分子（微孔聚乙烯、多孔醋酸纤维、均质醋酸纤维、聚硅氧烷橡胶和聚碳酸脂）组成。

净化后的压缩空气经过缓冲罐，联合过滤器后由膜组一端进入，气体分子在压力作用下首先在膜的高压侧接触。混合气体在膜的高压侧表面以不同的溶解度溶于膜内，然后在膜两侧压力差的推动下，混合气体的分子以不同的速度向膜的低压侧扩散。经过溶解和扩散两个过程的选择，最终混合气体被分离成各个组分。例如：空气、氧气的透过速度大于氮气，经过膜分离之后，高压侧留下的气体富氮，而透过去的气体富氧。

变压吸附法（PSA法）

该方法是以压缩空气为原料，一般以分子筛为吸附剂，在一定的压力下，利用空气中氧气和氮气分子在不同分子筛表面吸附量的差异，在一定时间内氧在吸附相富集，氮在气体相富集，实现氧、氮分离；而卸压后分子筛吸附剂解析再生，循环使用。吸附剂除了分子筛之外，还可应用活性氧化铝、硅胶等。

目前，常用变压吸附制氮装置是以压缩空气为原料，碳分子筛为吸附剂，利用氧和氮在碳分子筛上的吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差异及分子筛对氧和氮随压力不同具有不同的吸附容量的特性来实现氧、氮分离。首先，空气中的氧被碳分子筛优先吸附，从而在气相中富集氮气。为连续获得氮气，需两个吸附塔交替工作。

氨分解法

在高温且有镍的催化下，氨逐渐分解为氮气与氢气：

然后把混合气在燃烧室内燃烧并控制空气比例，让氢气不完全燃烧，其燃烧生成物通过除氧，干燥则可得到不同氮氢混合比的保护性气体（其氢含量可控制在1%~25%）被使用于铜材的光亮退火（此方法仅适用于氮气氢气来源困难而氨价格又较低廉的情况时）。

实验室制备

亚硝酸铵分解法

实验室常用加热氯化铵饱和溶液和固体亚硝酸钠混合物的方法制备氮气：

重铬酸铵分解法

重铬酸铵受热分解可放出氮气：

氨法制氮气

氨与溴水或与氧化铜高温下都可生成氮气：

叠氮化钠分解法

在三百摄氏度时，叠氮化钠在小心控制下热分解：

此方法制取的氮气纯度较高。

应用领域

1、氮气的化学性质很稳定，一般不与其他物质发生反应。这种惰性品质使它可以广泛应用于许多厌氧环境，比如用氮气将特定容器中的空气驱替置换，起到隔离、阻燃、防爆、防腐的作用，这项技术在轻烃装置检修、LPG工程、输气管道和液化气管网吹扫等工业、民用方面得以应用。氮气还可在已加工的食品和药品的包装中用作覆盖气体，密封电缆、电话线以及给可膨胀的橡胶轮胎加压等。作为一种防腐剂，氮气也常被替置与井下，以减缓管柱与地层流体接触所产生的腐蚀。

2、高纯氮气在金属熔铸工艺中被用于对金属熔体精炼处理，以提高铸坯质量，例如以高纯氮气为主掺合部分氢、气在铜加工中作为光亮退火热处理的保护性气体，它有效地防止铜材的高温氧化，保持铜材表面的光亮，废除了酸洗工序。以氮气为基本的木炭炉煤气（其成分为：64.1%N2，34.7%CO，1.2%H2和少量CO2）在铜熔铸时作为保护性气体，使铜熔体在浇铸面免受氧化，保证了产品质量。

3、生产的氮气大约10%用作制冷剂，主要包括：通常软的或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。

4、氮气可用于合成一氧化氮或二氧化氮，以此来制造硝酸，这种制造方法纯度高且价格较为低廉。此外氮气还可用于合成氨及金属氮化物等。

毒理数据

毒性

氮气是一种无臭、无色、无味的气体，可凝结成白色液体。石油工业使用氮气在油井中形成巨大的压力，迫使油管中的石油向上流动，以及在水力压裂中使用氮气。

人体接触和毒性：氮气是一种惰性物质，在大气中的含量为78.1%。它没有直接的毒理效应，也没有毒理特征。它的作用是简单的窒息。如果氮气含量增加，会导致氧气含量减少到低于正常大气水平的 20.8%。氮气本身具有直接毒性作用，会影响大脑功能，导致昏迷或兴奋。氮引起的中枢神经系统抑制（“深度狂喜”或 “马提尼效应”）是由于高氮压对神经传导的直接毒性作用，产生的效果类似于酒精中毒。复杂推理能力、决策能力、运动功能和手部灵活性都会下降。这种反应的个体差异很大，但通常在潜水深度超过 100 英尺（30 米）时就能发现。从深海潜水中苏醒后，身体组织中的氮会随之释放，从而引发减压病。减压病是由于压力的快速释放在组织中形成气泡，主要是氮气。

动物研究：在各种环境条件下，对年轻的成年雄性和雌性杂合小鼠进行了急性氮气常压缺氧挑战，结果显示存活率约为50%。当氧分压 (PO2)恒定为 42 托时，50% 的存活时间为 20 分钟；当 PO2 通过氮冲洗从159 托逐渐降低到 16.5 托时，50% 的存活时间为 151 分钟。同时，光照阶段缺氧时的存活率明显低于黑暗阶段（p >0.001）。将环境温度从33.8 ℃降至13.2 ℃会延长小鼠 50% 存活率所需的渐进缺氧时间，并将最终 PO2 从 35 降至 12 托。饥饿会降低小鼠的耐缺氧能力，而吸入一氧化碳或注射氰化钠则会产生相反的效果。在所有这些变化中，雌性比雄性更具抵抗力。这些变化大多与呼吸、运动和攻击性的差异有关，而这些差异取决于各种实验环境参数。

生态毒性研究：氮是植物生长和发育所必需的养分，但其最普遍的形式是大气中的氮。相反，植物依赖于氮的组合形式或固定形式，如氨和硝酸盐。大部分氮都是以工业生产的氮肥形式提供给种植系统的。这些肥料的使用导致了全球性的生态问题。另一方面，生物固氮提供了一种为植物提供氮的自然方法。它是整个生物圈中许多水生和陆生生态系统的重要组成部分。

相互作用

科学家研究了氧气对氮气排出的影响，受试者为六名健康的非吸烟男性，年龄在 22 至35岁之间。受试者在闭路系统中呼吸氧分压（PO2）为 0.12、0.2、1.0、2.0 或 2.5atm的氧气/氩气混合物125分钟。使用气密再呼吸装置测量受试者呼吸排出的氮气。对心率、心输出量、小腿血流量、皮肤灌注量、血压和平均动脉压进行了监测。与常氧状态（PO2为0.2atm）相比，呼吸0.12atm氧气可使氮排出量增加9.4%。呼吸PO2为1.0atm的纯氧会导致氮排出量减少3.5%。呼吸含2.0atm和2.5atm氧气的混合气体分别导致氮排出量减少8.9%和16.9%。增加呼吸混合物中的PO2会导致心率、心输出量、皮肤灌注量和小腿血流量下降，收缩压未受影响。缺氧混合气体会降低舒张压，但其他混合气体的PO2升高时，舒张压会升高，平均动脉压随着PO2的增加而升高。说明呼吸混合物中PO2的增加会导致依赖灌注的氮排出减少，这是继发性血管收缩效应的结果。这些结果表明，潜水后减压治疗期间的氧气呼吸应尽可能在不会诱发减压病的最低PO2下进行。

科学家还研究了大鼠离体心脏因暴露于一氧化碳和氮气而缺氧的生理后果。雄性大鼠被麻醉，取出心脏，悬浮在生理盐水中，插管，并在95% 氧气、5% 二氧化碳、95% 一氧化碳、5% 二氧化碳或 95% 氮气/5% 二氧化碳的混合液中灌注。所有心脏都先用氧气灌注30分钟，然后再切换到测试灌注液。在不同条件下持续监测心脏功能。测量灌注液中的乳酸含量，用分光光度法测定心脏的糖原含量，水分含量通过测量心脏干湿重量的差异来确定。对数据进行统计分析后发现，当心脏在充满氮气或一氧化碳的气氛中受到压力时，心率迅速下降；在一氧化碳和氮气存在下，心率的下降幅度分别为对照值的64%和44%。接触氮气和一氧化碳后，乳酸浓度显著增加。暴露于一氧化碳和氮气的心脏组织含水量没有差异。暴露于氮气或一氧化碳的心脏组织糖原含量明显下降。

环境数据

2005年至2009年，研究人员在中国南方的露天温室中研究了高浓度二氧化碳（CO2）和氮（N）添加对五个本地树种（四个非N2固定树种和一个N2固定树种）叶片氮磷比例的影响。高叶面氮和低叶面磷引起的高叶面氮磷比表明，植物可能更多地受到磷的限制，而不是氮的限制。非 N2 固定植株的叶片 N:P 比率对升高的 CO2有一些负面反应，而 N2固定植株的叶片 N:P 比率则因添加氮而降低。这些结果表明，在二氧化碳升高的条件下，氮的添加有利于N2固定。

安全措施

健康危害

由于氮气大量南极洲地下，属于气体，其作用未知。若如果地下存液氮水下含有氮水合剂，尚未有研究。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。因此氮所制作化学物品属于严重毒素，在黑道等犯罪组织带领下错误使用氮产品如校园液氮，

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”。

危害防治

应急处理方法：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。

操作方法：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。

若吸入过量氮气应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，及时就医。

储存与运输

储存方法

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。

运输方式

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。

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