氮气（Nitrogen）是 氮 元素形成的一种 单质 ，化学式N₂。氮气是空气的主要组成成分，体积分数约为78%（约4/5），比空气稍轻，密度为1.25 g/L 。常温常压下，1体积水大约只溶解0.02体积氮气 。氮气 摩尔质量 为28.01 g/mol；结构式为N≡N ，键长109.8 pm，键能较大，为948.9 kJ/mol ，结构稳定 。常温常压下无色无味无毒 ，在-195.8℃时液化为 液氮 ，-209.9℃时可变为雪状固态 。氮气化学性质稳定，能与特别活泼的金属直接化合 。氮气可用于灭火，液氮常用作 冷冻剂 。氮气在医药、 食品加工 、电器保护等领域常作保护气 ，还是工业 合成氨 、化肥等的重要原料 。
发现历史
1755年， 英国 化学家 约瑟夫·布莱克 （Joseph Black）通过煅烧 碳酸钙 发现了 CO₂ ，认为这种气体是固定在 石灰石 中，因此将其命名为“固定空气”。他又发现“固定空气”能被 苛性碱 溶液吸收，使其变为性质温和的 碳酸钠 ；燃烧的蜡烛在“固定空气”中不能继续燃烧；麻雀和 小鼠 在“固定空气”中会室息死亡；木炭在玻璃罩内燃烧后的气体有一部分和“固定空气”相似，能被 苛性碱 溶液吸收，但继续加入 氢氧化钾 ，总有气体剩余。1772年， 英国 化学家 丹尼尔·卢瑟福 （Daniel Rutherferford）研究发现“固定空气”既不助燃，不能溶于 氢氧化钠 ，也不能维持呼吸，便将其命名为“浊气”。1772年 英国 化学家 约瑟夫·普利斯特利 （Joseph Priestley）把潮湿的 硫磺粉 放在密闭容器中，一段时间后，容器中的空气减少了1/5，经过研究发现，剩余气体与 卢瑟福 发现的“浊气”性质相似，且比空气轻。因 普里斯特利 相信燃素说，将这种剩余气体命名为“燃素化了的空气”或“被燃素饱和了的空气”。同年， 瑞典 化学家 卡尔·舍勒 （Carl Wilhelm Scheele）通过实验获得类似结果，并命名为“劣质空气”。1774年 法国 化学家安托万·洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier ）将“劣质空气”命名为“Nitrogen”，意为“无益于生命”，即“氮”。
分布情况
氮气广泛分布在自然界中。在空气中所占体积分数约为78% 。动植物体中的 蛋白质 都含氮。氮在土壤中以 硝酸盐 的形式存在，如 南美洲 的 智利 硝酸盐矿藏，在地壳中的分度为19ppm。氮具有¹⁴N和¹⁵N两种天然同位素。氮气常常是一些低级生物像 植物 根瘤菌 上的 固氮细菌 等的肥料，它们将空气中的氮气固定，转化为含氮化合物。
N₂分子的结构
路易斯结构式
N原子的核外电子排布式为1s²2s²2p³，两个氮原子以氮氮三键结合。1个N原子与另一个N原子的两个2p轨道以“肩并肩”的形式形成π键，围绕在σ键的四周，所以N≡N键能大，为948.9 kJ/mol ，不易断裂，N₂分子结构稳定 。N≡N键长为109.8 pm，是由1个σ键和2个π键形成的，其中1个2p轨道与另一个N原子的2p轨道以“头碰头”的形式形成σ键，处于中间位置。
分子轨道排布式
N₂分子有10个电子进入分子轨道，其中8个成键电子和2个反键电子，键级为3，稳定性非常高。N₂的分子轨道 电子排布式 为 ，表明该分子间存在1个σ键和2个π键，与 路易斯结构式相一致。
等电子体
等电子体 是电子数和原子数均相等的分子、离子。互为等电子体的分子或离子在某些方面具有相似性质。N₂是2原子10 电子 的直线型分子，与NO⁺、CN、CO、C₂²⁻互为等电子体。
理化性质
物理性质
氮气与空气密度接近，比空气稍轻，密度为1.251 g/L（0 ℃，1 atm）， 摩尔质量 为28.01 g/mol ，微溶于水和 乙醇 ，常温常压下，1体积水大约只溶解0.02体积氮气 。在正常情况下，氮气对人体并无伤害，但在高压条件下，大量氮气会溶于血液导致氮醉 。氮气是热和电的不良导体 。 标准大气压 下，冷却至-195.8 ℃时氮气液化为液氮，-209.9 ℃时凝固成雪状固态 。液氮与氮气相比，具有体积小（0 ℃时两者体积比为1/647，35℃时为1/731）、易储存、 运输量 小等优点。
化学性质
氮气是一种双原子气体，结构稳定，化学性质稳定 。氮气是一种 惰性气体 ，不可燃，不助燃，不供人呼吸，无腐蚀性。在自然条件下，不发生化学反应 。在一定条件下能与部分活泼金属和非金属 单质 化合。
与金属单质反应
氮可与一些特别活泼的金属反应，形成离子型氮化物。常温下能与锂直接化合生成 氮化锂 （Li₃N） ：
高温时能与镁、钙、 、 直接化合生成相应的氮化物 ：
镁在空气中主要生成 氮化镁 ，同时伴有少量的 氧化镁 （ MgO ）生成 。
这些离子型氮化物又能与水反应生成 氢氧化物 和NH₃ ：
与非金属单质反应
氮气与 氢气 在高温、高压、催化剂条件下生成氨（工业制氨， 人工固氮 ）：
在放电条件或电弧作用下，氮气与 氧气 反应生成 一氧化氮 （NO）（ 自然固氮 ）：
与化合物反应
在胺 法中，氮气和热电石反应，生成 氰氨化钙 和碳：
然后热 氨腈 受到压力与水蒸汽发生反应，生成氨：
氮气的制备
实验室制备
①在实验室，通过在溶液中加热 亚硝酸钠 （NaNO₂）和 氯化铵 （NH₄CI）的混合物来获得氮气。反应为 ：
②加热 亚硝酸铵 溶液 ：
③将氨通过红热的 氧化铜 ：
④氨与 溴水 反应 ：
⑤ 重铬酸铵 加热分解 ：
工业制备
深冷空分
深空冷分制氮的原理是通过压缩、膨胀循环降低大气温度并使其成为液态，而后利用大气中组分沸点不同分离出氮氧。此方法最大的特点是能同时制取氧和氮并且产量大。
变压吸附
变压 吸附 法制氮气的原理是利用分子筛对空气加压吸附排氮、 减压 脱附排氧，从而将氮、氧分离。变压吸附制氮常采用的技术有碳分子筛（CMS）和沸石分子筛（MS）。碳分子筛是一种非极性速度分开型吸附剂， 氧气 在碳分子筛上的扩散速度大于氮气的扩散速度，因而氧气能够被碳分子筛优先吸附，氮气则富集于不吸附相在吸附塔流出。 沸石 分子筛制氮则是利用沸石分子筛对 O₂ 、N₂吸附容量不同来分离N₂，不过其处理原料气和真空解吸等步骤繁杂，应用较少。
膜分离
膜分离制氮技术的原理是，氧和氮在通过膜时，会先在膜中溶解，在外界能量或化学位能差的作用下，由于氧、氮对分离膜的渗透率不同，会分别在膜的两侧得到 富集 ，达到分离气体的目的。
应用领域
灭火领域
氮气具有高稳定性和 化学 惰性，因此可用于灭火。
氮气防灭火技术的优点： （1）工艺简单、操作方便、易于掌握；（2）无污染，对设备损害小，恢复生产快；（3）稀释抑爆；（4）有效抑制防灭火区域的漏风。氮气防灭火技术的缺点： （1）不能“长期”覆盖 可燃物 或已燃物的表面；（2）不能有效消除高温点，需用水、注浆以及凝胶等措施辅助灭火，防止复燃；（3）注氮气防火时，需要采取堵漏措施，控制氮气泄漏量在最低限度内；（4）较高浓度氮气易使人窒息。
氮气吸附法
氮气 吸附 法能够测量多孔材料的比表面积及孔径分布，该方法需要在液氮温度下进行。吸附法的原理是让一种吸附质分子吸附在待测样品表面，根据吸附量的多少来评测样品的表面积及孔径分布。
保护气
氮气是惰性气体，常做保护气。它可以在药品注射剂生产过程中防氧化；可用作局部用药气雾剂的 抛射剂 ；还可用以置换易氧化溶液中的空气；还可用于置换终包装内产品上方的空气，例如盛装于玻璃安 中的注射剂产品。
在电器方面，氮气主要充当电缆、变压器的保护气体以及标准 电容器 的介质，防止绝缘油氧化、潮气侵入，抑制热老化。
氮气会在与钨结合形成 氮化钨 时释放过高的热量，从而加速钨阴极的损坏。 在金属热处理方面，氮气可用于退火、光亮萍火、渗碳、 碳氮共渗 、粉末金属烧结、中性 气体保护气氛 。在 电子 工业方面，氮气气氛保护半导体元器件及集成电路、 二极管 、 三极管 的烧结生产。在石油化工方面，各类储罐、催化塔、管道等的充氮净化和压力检漏， 石油化工催化剂 的生产保护气氛。在化纤工业方面， 化学 行业原料干燥系统载气、光电纤维的生产过程保护。
为将粮食长期保存，可在粮仓中充入氮气，防止粮食发霉发芽。
食品加工
氮气可用于啤酒生产、食品包装、 液氮 冷冻与保质粉碎、食用油小包装灌装等。在啤酒生产上，氮气可作 二氧化碳 的替代品，改善啤酒的泡沫性能，防止氧化。在食品包装上，利用氮气排除 氧气 ，抑制食品的氧化和呼吸。在液氮冷冻与保质粉碎上，物料尤其是香料在制作过程中会出现打滑和发热现象，低温冷冻状态时物料变脆，打滑现象消失，碾磨更加顺利。
在食用油脂包装灌装过程中使用氮气可以降低氧浓度，延缓油脂的氧化 酸败 ，提高稳定性，达到长期保存的目的。
工业合成原料
氮气可作为电催化 合成氨 的原料。其原理是在电场作用下,通过类似水中还原H⁺成H₂的一个半反应，电子 活化 催化剂表面吸附的氮气，而后活化的氮进一步与水供质子发生加 氢 反应，从而在温和条件下和成 氨 。在不同的电解质中会发生不同的反应，反应方程式如下。
制冷剂
氮气作为制冷剂，可以类似橡胶物质的凝固磨碎、低温加工橡胶、工程技术部件的冷缩配合和安装、生物标本，如血液的的保存、在运输中制冷等。 液氮 还可应用于医疗领域，如在除斑、除包、除痘、皮肤治疗等手术时，将病体冻掉，但是容易出现 疤痕 。
丁二烯生产
乙烯基乙炔 是 丁二烯 装置中最危险的原料，超过一定浓度会发生分解爆炸。使用氮气稀释可吸收 乙烯基乙炔 分解后的反应热，有效降低分解后的温度和压力。
其他
氮气在汽车上的作用 ： 保持稳定胎压，提高轮胎行驶的稳定性，保证驾驶的舒适性；有效减少轮胎的噪音，提高行驶的宁静度；可以防止爆胎和缺气碾行；延长轮胎使用寿命；减少油耗，保护环境。
在外延、光刻、清洗和蒸发等工序中，高纯度氮气可作为置换、干燥、贮存和输送用气体。另外，氮气还可作分析仪器的载气，如标准气、校正气、平衡气及在线仪表标准气等。
安全事宜
危险特性
1.氮气储罐受热后瓶内压力增大，有爆炸危险。
2.吸入可迅速出现窒息昏迷、呼吸心跳停止，从而导致死亡。
储存方法
储存于阴凉（<30℃） 、通风的库房 或密封金属瓶中，贮藏在阴凉、干燥处。 远离 火种 、热源。
泄漏处理方法
1.迅速将人员撤离泄露污染区的上风处，并进行隔离，严格限制出入。
2.做好个人防护，尽可能切断泄漏源。
3.合理通风，加速扩散。