1、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。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-209.8℃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。
2、氮气的化学性质: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。在图中唯一的一个比N2分子值低的是NH4+离子。
3、氮气的物理性质: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%),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。
1、石油天燃气及采煤工业中的应用
油井内充入氮气不但可以提高井内压力,增大采油量,充入的氮气还可以作为钻杆测度中的缓冲垫,完全避免了井内泥桨压力挤扁下部试管柱的可能性。此外,在进行酸化、压裂、水力喷孔、水力封隔器坐封等井下作业中,也要用到氮气。在天然气中充填氮气可以降低热值。在原油更换管道时,可用液氮烧注两端物料,使之固化封堵。
将氮气用于粉煤的压力输送,既安全方便又经济实惠。
2、化学工业中的应用
氮是合成氨的主要原料。氨合成所需的氮无需分离和提纯,直接来源于空气。在氨合成气的生产过程中,空气中的氧与碳氢化合物原料进行高温催化反应,经变换、脱碳、甲烷化等工序,生成以氢为主含少量甲烷、微量一氧化碳和二氧化碳的混合气,空气中的氮和氩不参与反应,直接进入合成气,从而获得以氢和氮为主的氨合成气。由于氨合成中,氧、一氧化碳、二氧化碳易使合成催化剂中素毒,甲烷和氩系合成惰性物质,大量积累会降低合成效率,采用液氮洗涤工艺净化合成气,可以延长催化剂使用寿合,提高氨合成效率。
氮还是生成合成氰氨化钙、氰化纳及氮化硅的主要原料。
高纯度的氮气可作为生产聚乙烯的辅助气,如年产1千万吨的聚乙烯生产线,每小时需要提供4,400标立方米纯氮。
利用氮的化学不活泼性,在许多易燃液体物质的反应器、贮罐中充入氮气,不但保护物料不受氧化,保持产品质量,还能确保安全,防止燃烧和爆炸事故发生。
3、冶金氏业中的应用
氮气在冶金工业中主要是作保护气和吹扫气。在轧钢和金属热处理的过程中,由于氮气的保扩,减少金属的高温氧化,使表面光洁。在有色金属冶炼炉中充入氮气,可以降低氧量和温度,减少氧化,提高产品纯度。用氮气吹扫钢水,使钢中的氢含量降低,提高产品的强度。在高炉开工时吹入86%的氮气,可降低焦炭消耗,延长使用寿命。在等离子电弧
炉中充入氮气,可生产氮化高速工具钢。
4、电子工业中的应用
在电子工业中用干燥的氮气吹洗硅片,可保持硅片的干燥与清洁。在大规模集成电路生产工序,可以用高纯氮作化学反应气的携带气、惰性保护气和封装气等。