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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、農業、醫療及科研領域具有廣泛應用的惰性氣體。

一、物理與化學性質

1. 物理性質

• 狀態：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（標準狀況下），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），易溶于液態金屬（如鐵、銅）。

2. 化學性質

• 惰性：常溫下化學性質極不活潑，不易與其他物質反應（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：
  • 與氫氣在高溫高壓、催化劑下合成氨（N? + 3H? ? 2NH?），是氮肥工業的基礎。
  • 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）反應生成氮化物（3Mg + N? ═點燃═ Mg?N?）。

二、制備方法

1. 工業制備

• 空分法（主流）：
  1. 空氣經壓縮、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（需嚴格控制溫度，避免爆炸）。
• 氯化銨與亞硝酸鈉反應：NH?Cl + NaNO? ═△═ NaCl + N?↑ + 2H?O，生成的氮氣需干燥后收集。

三、核心應用場景

1. 工業領域

• 保護氣：
  • 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。
  • 化工生產中保護易燃物質（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，延長保質期（隔絕氧氣防氧化、抑制微生物生長）。
• 冷凍與吹掃：
  • 液氮（液態氮氣）作制冷劑，用于速凍食品（如三文魚超低溫冷凍）、醫療冷凍保存（如細胞、疫苗）。
  • 電子工業中吹掃電路板灰塵，或清洗精密儀器（利用液氮低溫收縮污垢）。

2. 農業與化工

• 氮肥生產：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）。
• 醫藥合成：作為惰性氣體參與藥物中間體合成，避免原料與氧氣反應變質。

3. 醫療與科研

• 醫療應用：
  • 液氮冷凍療法：治療疣、皮膚癌等（低溫使病變細胞壞死）。
  • 核磁共振成像（MRI）：冷卻超導磁體，維持低溫超導狀態。
• 科研用途：
  • 低溫物理實驗：研究材料在低溫下的特性（如超導現象）。
  • 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、穩定），減少爆胎風險（因熱膨脹系數低）。
• 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：火箭燃料系統中用氮氣吹掃，防止殘留燃料爆炸；飛機輪胎充氮防爆。

四、安全風險與儲存運輸

1. 主要風險

• 窒息風險：氮氣本身無毒，但在密閉空間中濃度過高會排擠氧氣（當氧含量＜19.5% 時可導致窒息），如地窖、反應釜檢修時需先通風。
• 低溫凍傷：液氮溫度低（-196℃），直接接觸皮膚會導致嚴重凍傷，需佩戴防寒手套和護目鏡。
• 壓力爆炸：液態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. 儲存與運輸規范

• 氣態氮氣：存放于鋼瓶中，遠離火源、熱源，避免陽光直射，鋼瓶需固定以防傾倒。
• 液態氮氣：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、氮氣與環境的關系

• 生態循環：氮氣是地球大氣的主要成分（78%），通過固氮作用（生物固氮、工業固氮）進入生態系統，參與蛋白質合成，通過反硝化作用返回大氣。
• 環境問題：工業固氮過量使用氮肥會導致土壤板結、水體富營養化（如藍藻爆發），需合理控制氮肥施用。