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氮气的这种高度化学稳定性与其分子结构有关,2个N原子以叁键结合成为氮气分子,包含1个σ键和2个π键,因为在化学反应中受到攻击的是π键,而在N₂分子中π键的能级比σ键低,打开π键困难,因而使N₂难以参与化学反应。
瑞典化学家卡尔·谢勒(Carl Scheele)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
氮气是一种有惰性的气体,一般不与其他物质发生反应,但在一定条件下,氮可与碱金属或碱土金属反应,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:
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。
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,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
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)。
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 [11]。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
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”。