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氮氣（N?）是空氣中含量最豐富的氣體，也是一種在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療及科研領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的惰性氣體。

一、物理與化學(xué)性質(zhì)

1. 物理性質(zhì)

• 狀態(tài)：常溫常壓下為無色、無味、無毒的氣體，-195.8℃時液化成無色液體，-210℃時凝固為雪狀固體。
• 密度：1.251 g/L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），略小于空氣（1.293 g/L）。
• 溶解性：難溶于水（20℃時 100mL 水僅溶解 0.015mL 氮氣），易溶于液態(tài)金屬（如鐵、銅）。

2. 化學(xué)性質(zhì)

• 惰性：常溫下化學(xué)性質(zhì)極不活潑，不易與其他物質(zhì)反應(yīng)（因 N≡N 三鍵鍵能高，需高溫、高壓或催化劑條件才能斷裂）。
• 高溫反應(yīng)：
  • 與氫氣在高溫高壓、催化劑下合成氨（N? + 3H? ? 2NH?），是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)。
  • 與氧氣在放電或高溫下生成一氧化氮（N? + O? ? 2NO），是大氣中氮氧化物的來源之一。
  • 與活潑金屬（如鎂）反應(yīng)生成氮化物（3Mg + N? ═點燃═ Mg?N?）。

二、制備方法

1. 工業(yè)制備

• 空分法（主流）：
  1. 空氣經(jīng)壓縮、冷卻至液化（-196℃以下）；
  2. 利用氮氣（沸點 - 195.8℃）與氧氣（沸點 - 183℃）的沸點差異，通過分餾塔蒸餾分離，得到純度 99% 以上的氮氣。
• 變壓吸附法（PSA）：
  利用分子篩對氮氣和氧氣的吸附能力差異，在加壓時吸附氧氣，減壓時釋放氮氣，適用于中小規(guī)模制氮（純度 95%~99%）。

2. 實驗室制備

• 加熱亞硝酸銨溶液：NH?NO? ═△═ N?↑ + 2H?O（需嚴(yán)格控制溫度，避免爆炸）。
• 氯化銨與亞硝酸鈉反應(yīng)：NH?Cl + NaNO? ═△═ NaCl + N?↑ + 2H?O，生成的氮氣需干燥后收集。

三、核心應(yīng)用場景

1. 工業(yè)領(lǐng)域

• 保護(hù)氣：
  • 金屬焊接（如氬弧焊中混入氮氣）、熱處理時隔絕氧氣，防止金屬氧化。
  • 化工生產(chǎn)中保護(hù)易燃物質(zhì)（如苯乙烯儲存），避免爆炸。
• 食品包裝：薯片、餅干等膨化食品充氮包裝，延長保質(zhì)期（隔絕氧氣防氧化、抑制微生物生長）。
• 冷凍與吹掃：
  • 液氮（液態(tài)氮氣）作制冷劑，用于速凍食品（如三文魚超低溫冷凍）、醫(yī)療冷凍保存（如細(xì)胞、疫苗）。
  • 電子工業(yè)中吹掃電路板灰塵，或清洗精密儀器（利用液氮低溫收縮污垢）。

2. 農(nóng)業(yè)與化工

• 氮肥生產(chǎn)：通過哈伯法合成氨，再制成尿素、硝酸銨等化肥（全球 80% 的氮氣用于氮肥生產(chǎn)）。
• 醫(yī)藥合成：作為惰性氣體參與藥物中間體合成，避免原料與氧氣反應(yīng)變質(zhì)。

3. 醫(yī)療與科研

• 醫(yī)療應(yīng)用：
  • 液氮冷凍療法：治療疣、皮膚癌等（低溫使病變細(xì)胞壞死）。
  • 核磁共振成像（MRI）：冷卻超導(dǎo)磁體，維持低溫超導(dǎo)狀態(tài)。
• 科研用途：
  • 低溫物理實驗：研究材料在低溫下的特性（如超導(dǎo)現(xiàn)象）。
  • 氣相色譜分析：作為載氣，分離和檢測混合氣體成分。

4. 其他場景

• 汽車輪胎：填充氮氣（干燥、穩(wěn)定），減少爆胎風(fēng)險（因熱膨脹系數(shù)低）。
• 啤酒釀造：桶裝啤酒用氮氣加壓，避免二氧化碳影響口感（氮氣不溶于啤酒）。
• 航空航天：火箭燃料系統(tǒng)中用氮氣吹掃，防止殘留燃料爆炸；飛機(jī)輪胎充氮防爆。

四、安全風(fēng)險與儲存運輸

1. 主要風(fēng)險

• 窒息風(fēng)險：氮氣本身無毒，但在密閉空間中濃度過高會排擠氧氣（當(dāng)氧含量＜19.5% 時可導(dǎo)致窒息），如地窖、反應(yīng)釜檢修時需先通風(fēng)。
• 低溫凍傷：液氮溫度低（-196℃），直接接觸皮膚會導(dǎo)致嚴(yán)重凍傷，需佩戴防寒手套和護(hù)目鏡。
• 壓力爆炸：液態(tài)氮氣化后體積膨脹約 700 倍，若儲存容器密封或受熱，可能因壓力驟升爆炸。

2. 儲存與運輸規(guī)范

• 氣態(tài)氮氣：存放于鋼瓶中，遠(yuǎn)離火源、熱源，避免陽光直射，鋼瓶需固定以防傾倒。
• 液態(tài)氮氣：儲存于真空絕熱容器（杜瓦瓶）中，定期檢查容器壓力，運輸時避免碰撞。

五、與其他氣體的對比

六、氮氣與環(huán)境的關(guān)系

• 生態(tài)循環(huán)：氮氣是地球大氣的主要成分（78%），通過固氮作用（生物固氮、工業(yè)固氮）進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，參與蛋白質(zhì)合成，通過反硝化作用返回大氣。
• 環(huán)境問題：工業(yè)固氮過量使用氮肥會導(dǎo)致土壤板結(jié)、水體富營養(yǎng)化（如藍(lán)藻爆發(fā)），需合理控制氮肥施用。