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氮气及用途

发布时间:2019/4/3 22:30:49

氮在常况下是一种无色无味无嗅的气体,且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%(体积分数),在标准情况下的气体密度是1.25g·dm-3,氮气在标准大气压下,冷却至-195.8℃时,变成没有颜色的液体,冷却至-209.86℃时,液态氮变成雪状的固体。氮气在水里溶解度很小,在常温常压下,1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。它是个难于液化的气体。在水中的溶解度很小,在283K时,一体积水约可溶解0.02体积的N2,氮气在极低温下会液化成白色液体,进一步降低温度时,更会形成白色晶状固体。在生产中,通常采用灰色钢瓶盛放氮气。

基本性?#25910;?#21472;编辑本段

物理性质


氮在常况下是一种无色无味无臭的气体,且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%(体积分数),在标准情况下的气体密度是1.25g/L,氮气难溶于水,在常温常压下,1体积水中大约只溶解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。

化学性质


由氮元素的氧化态-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,N2是热力学稳定状态。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?#38477;?#30340;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。在图中唯一的一个比N2分子值低的是NH4+离子。[2]


由氮元素的氧化态-吉布斯自由能图和N2分子的结构均可以看出,单质N2不活泼,只有在高温高压并有催化剂存在的条件下,氮气可以和氢气反应生成氨。


基本用途折叠编辑本段

化工合成


氮主要用于合成氨,反应式为N2+3H2=2NH3( 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。


食品行业


食品包装充氮时可以保鲜。


其他用途


充填灯泡制作氮肥与炸药,做制冷剂(液氮汽化吸热)。


汽车轮胎


1.提高轮胎行驶的稳定性和舒?#24066;浴3]


氮气几乎为惰性的双原子气体,化学性质极不活泼,气体分子比氧分子大,?#28784;?#28909;胀冷缩,变形幅度小,其渗透轮胎胎壁的速度比空气慢约30~40%, 能保持稳定胎压,提高轮胎行驶的稳定性,保证驾驶的舒?#24066;裕?#27694;气的音频传导性低,相当于普通空气的1/5,使用氮气能有效减少轮胎的噪音,提高行驶的宁静度。


2.防止爆胎和缺气碾?#23567;?/p>


爆胎是公?#26041;?#36890;事故中的头号杀手。据统计,在高速公路上有46%的交通事故是由于轮胎发生?#25910;?#24341;起的,其中爆胎一项就占轮胎事故总量的70%。汽车行驶时,轮胎温度会因与地面磨擦而升高,尤其在高速行驶及紧急刹车时,胎内气体温度会急速上升,胎压骤增,所以会有爆胎的可能。而高温导致轮胎橡胶老化,疲劳强度下降,胎面磨损剧烈,又是可能爆胎的重要因素。而与一般高压空气相比,高纯度氮气因为无氧且几乎不含水份不含油,其热膨胀系数低,?#21364;?#23548;性低,升温慢,降低了轮胎聚热的速度,不可燃也不助燃等特性,所以可大大地减少爆胎的几率。


3.延长轮胎使用寿命


使用氮气后,胎压稳定体积变化小,大大降低了轮胎不规则磨擦的可能性,如冠磨、胎肩磨、偏磨,提高了轮胎的使用寿命;橡胶的老化是受空气中的氧分子氧化所致,老化后其强度及弹性下降,?#19968;?#26377;龟裂现象,这时造成轮胎使用寿命缩短的原因之一。氮气分离装置能极大限度地排除空气中的氧气、硫、油、水和其它杂质,有效降低了轮胎内衬层的氧化程度和橡胶被腐蚀的现象,不会腐蚀金属轮辋,延长了轮胎的使用寿命,?#24067;?#22823;程度减少轮辋生锈的状况。


4.减少油耗,保护环境。


轮胎胎压的不足与受热后滚动阻力的增加,会造成汽车行驶时的油耗增加;而氮气除了可以维持稳定的胎压,延缓胎压降低之外,其干燥且不含油不含水,?#21364;?#23548;性低,升温慢的特性,减低了轮胎行走时温度的升高,以及轮胎变形小抓地力提高等,降低?#26031;?#21160;阻力,从而达到减少油耗的目的。


合成方法折叠编辑本段

氮气在大气?#20852;?#22810;于氧气,由于它的性质不活泼,所以人们在?#40092;?#27687;气之后才?#40092;?#27694;气的。不过它的发现却早于氧气。1575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,?#35789;?#29992;苛?#32422;?#28342;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(Rutherford,D.1749-1819)继续用动物做实验,把?#40092;?#25918;进封闭的玻璃罩里直至其死后,发现玻璃?#31181;?#31354;气体积减少1/10;若将剩余的气体再用苛?#32422;?#28342;液吸收,则会继续减少1/11的体积。D·卢瑟福发现?#40092;?#19981;能生存的空气里燃烧蜡烛,仍然可?#32422;?#21040;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?#32422;?#28342;洲,因此命名为?#30333;?#27668;?#34987;頡?#27602;气”。在同一年,普利?#22266;?#37324;作类似的燃烧实验,发?#36136;?/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?#27688;?#29123;素饱和了的空气”。


1.空分法 采用全低压流程,首先清除空气中?#39029;?#21644;机械杂质,然后在压缩机中压缩,清除压缩空气中二氧化碳,干燥压缩空气,经液化、精馏,分离成氧和氮气。氮气贮藏在氮气柜;液氮送入贮槽,压缩的氮气充填氮气瓶?#23567;?#22270;XV-1 NaN3分解装置 利用活性铜提纯氮气装置


2.在装置中,向长为40cm,?#26412;?#20026;2cm的玻璃制分解管中装填数毫米厚,经重结晶并干燥的NaN3。磨口接头用湿?#21450;?#35065;使之冷却。用高真空泵将整个装?#36152;?#25104;真空,在保持真空下进行加热干燥。但装有NaN3的那根玻璃管不能加热到NaN3分解的温度。用高频真?#21344;?#28431;器检测系统是否漏气。这样做之后,用火焰均匀地加热管1。关闭活塞3,从一头依序将NaN3加热?#37327;?#22987;分解。加热一段时间后停止加热,关闭活塞4和5,打开活塞3后,?#27604;?#23450;压力计6的压力在增加,说明气体还在继续生成,当压力增加缓慢时,应再加热。如此继续操作直到在压力计上可以看到烧瓶中有了一些压力,制取了足够量的气体为止。当钠的细尘在烧瓶7?#26032;?#19979;后,就可让气体进入烧瓶8。?#28784;?#29992;玻璃棉来挡住钠的细尘。此操作不会有爆炸的危险,因为?#35789;?#21387;力突然增加,最坏的结果也只不过是在2处将磨口冲开而已。此法制得的氮气已经很纯,无需再加纯制。NaN3的分解温?#20219;?80℃,KN3为360℃。


3.由钢瓶氮气纯制:钢瓶氮气中的水蒸气和CO2等杂质可用通常的洗涤剂除去,但除去痕量的氧气很困难。如需要高纯度的氮气最好选用下述的方法:将长?#20219;?0m,电阻为64Ω的电热线直接缠绕在一根长75cm,?#26412;?cm的玻璃管上。利用调压变压器将管子内的温度调节到约170℃。内管的外面再套上一个玻璃管?#32422;?#23569;热量损失,同时试验时也可以观察内管中的现象。在内管中密封填充物,然后从内管的上面通入氢气,确认其中的空气被驱净后,即可通电加热。把还原CuO所生成的水从活塞中放走。当填充物全部变成暗紫色后,即可停止氢气,通入待纯制的氮气,填充物可用下列方法制得:将120g Cu(OH)2CuCO3溶于2L浓氨水中,加入用盐酸洗过并经灼?#23637;?#30340;硅藻土420g,在水浴上蒸干。将其粉碎成3~5mm大小,在150~180℃彻底干燥?#37327;?#31890;呈现棕色光泽。筛去细粉,得到产品。图NaN3分解装置利用活性铜提纯氮气装置1—加热管;2—磨口活塞;3,4,5—活塞;6—压力计;7,8—烧瓶2将250g CuCl2·H2O(或366g CuSO4·5H2O)溶于2L水?#23567;?#21152;入用盐酸煮过并经过灼烧的硅藻土250g,加热至60℃,并在猛力搅拌下,将200g NaOH溶于500mL水的60℃溶液加入,10min后,将它倾入10L蒸馏水?#23567;?#25918;?#36152;?#38477;,倾去上层清液,用蒸馏水用倾析法反复洗涤多次后抽吸过滤。将滤饼在螺旋手压机中压成3~5mm的细条,晾至半干后切成5~10mm细段,在180℃下烘干至恒重。高纯氮一般以空气分离装置生产的氮气作为原料,通过化学法、吸附干燥法、变压吸附法及膜分离法等净化制成。

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