氮气，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），是空气的主要成份。常温下为气体，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。氮气的化学性质很稳定，常温下很难跟其他物质发生反应，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。

 氮气简介

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]

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。

氮化物反应

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

氮和活泼金属反应

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)

氮和非金属反应

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。

物理性质

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]

项 目	属 性
化学式	N2
相对分子质量	28.013
CAS登录号	7727-37-9
EINECS登录号	231-783-9
英文名称	Nitrogen
熔点	63.15K，-210℃
沸点，101.325kPa（1atm）时	77.35K，-195.8℃
临界温度	126.1K，-147.05℃
临界压力	3.4MPa，33.94bar，33.5atm，492.26psia
临界体积	90.1cm3/mol
临界密度	0.3109g/cm3
临界压缩系数	0.292
液体密度，-180℃时	0.729g/cm3
液体热膨胀系数，-180℃时	0.00753 1/℃
表面张力，-210℃时	12.2×10-3 N/m，12.2dyn/cm
气体密度，101.325 kPa(atm)和70F(21.1℃)时	1.160kg/m3，0.0724 lb/ft3
气体相对密度，101.325 kPa(1atm)和70F时(空气=1)	0.967
汽化热，沸点下	202.76kJ/kg，87.19 BTU/1b
熔化热，熔点下	25.7kJ/kg，11.05 BTU/1b
气体定压比热容cp，25℃时	1.038kJ/（kg· k），0.248 BTU/（1b·R）
气体定容比热容cv，25℃时	0.741kJ/（kg· k），0.177 BTU/（1b·R）
气体比热容比，cp/cv	1.401
液体比热容，-183℃时	2.13kJ/（kg·k)，0.509 BTU/(1b·R)
固体比热容，-223℃时	1.489kJ/(kg·k)，0.356 BTU/(1b·R)
溶解度参数	9.082(J/cm3 )0.5
液体摩尔体积	34.677cm3 /mol
在水中的溶解度，25℃时	17.28×10-6(w)
气体黏度，25℃时	175.44×10-7Pa·s，175.44μP
液体黏度，-150℃时	0.038mPa ·s，0.038 cp
气体热导率，25℃ 时	0.02475W/(m · K)
液体热导率，-150℃时	0.0646W/(m · K)

氮气用途化工合成

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。

汽车轮胎

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。

2.防止爆胎和缺气碾行

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。

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，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。

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，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。

氮气弹簧

其他作用

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。

化学键

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

制氮机

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分子活化的最优条件。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。

氮气中键特性

 

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最稳定的，氮气的相对分子质量是28。

氮气结构式

氮气通常不易燃烧且不支持燃烧。化学式为N2。

键型

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。

形成共价键

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．

氮气机

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。

形成配位键

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。