制氮机制氮系统 分子筛

中文名：氮气

英文名：nitrogen

化学式：n2

相对分子质量：28.013

化学性质：不活泼

cas登录号：7727-37-9

einecs登录号：231-783-9

发现者：亨利·卡文迪许

命名者：安托万-洛朗·拉瓦锡[1]

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Zui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。在图中唯一的一个比n2分子值低的是nh4+离子。[2]

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，氮气可以和氢气反应生成氨。

氮化镁与水反应：mg3n2+6h2o=3mg(oh)2↓+2nh3↑

在放电条件下，氮气才可以和氧气化合生成一氧化氮：n2+o2=放电=2no

一氧化氮与氧气迅速化合，生成二氧化氮2no+o2=2no2

二氧化氮溶于水，生成硝酸，一氧化氮3no2+h2o=2hno3+no

五氧化二氮溶于水，生成硝酸，n2o5+h2o=2hno3

n2 与金属锂在常温下就可直接反应： 6 li + n2=== 2 li3n

n2与碱土金属mg 、ca 、sr 、ba 在炽热的温度下作用： 3 ca + n2=== ca3n2

n2与镁条反应：3mg+n2=点燃=mg3n2(氮化镁)

n2与氢气反应制氨气：n2+3h2===（可逆符号）2nh3

n2与硼要在白热的温度才能反应： 2 b + n2=== 2 bn （大分子化合物）

n2与硅和其它族元素的单质一般要在高于1473k的温度下才能反应。

氮在常况下是一种无色无味的气体，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。其他物理性质见下表：[3]

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。

1.提高轮胎行驶的稳定性和舒适性[4]

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，不易热胀冷缩，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，保证驾驶的舒适性；氮气的音频传导性低，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。

爆胎是公路交通事故中的头号杀手。据统计，在高速公路上有46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的，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，热传导性低，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。

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，且会有龟裂现象，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，也极大程度减少轮辋生锈的状况。

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，热传导性低，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，降低了滚动阻力，从而达到减少油耗的目的。

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。

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、cl、o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。问题是目前人们还没有找到在常温常压下能使n2分子活化的Zui优条件。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Zui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。

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。

n2+ 6 li == 2 li3n

n2+ 3 ca == ca3n2

n2+ 3 mg =点燃= mg3n2

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-的水合离子。

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nh4+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hno3分子或no3-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原子采取sp 杂化，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。