空气中的各种气体

空气中的各种气体目录Menu一、氮气（N2）二、氧气（O2）三、二氧化碳（CO2）四、稀有气体（氦气、氖气、氩气、氙气等）（He、Ne、Ar、Xe）一、氮气的发现氮气在大气中虽多于氧气，由于它的性质不活泼，所以人们在认识氧气之后才认识氮气的。不过它的发现却早于氧气。1775年英国化学家布拉克（Black,J.1728-1799）发现碳酸气之后不久，发现木炭在玻璃罩内燃烧后所生成的碳酸气，即使用苛性钾溶液吸收后仍然有较大量的空气剩下来。后来他的学生D·卢瑟福继续用动物做实验，把老鼠放进封闭的玻璃罩里直至其死后，发现玻璃罩中空气体积减少1/10；若将剩余的气体再用苛性钾溶液吸收，则会继续减少1/11的体积。D·卢瑟福发现老鼠不能生存的空气里燃烧蜡烛，仍然可以见到微弱的烛光；待蜡烛熄灭后，往其中放入少量的磷，磷仍能燃烧一会，对除掉空气中的助燃气来说，效果是好的。把磷燃烧后剩余的气体进行研究，D·卢瑟福发现这气体不能维持生命，具有灭火性质，也不溶于苛性钾溶液，因此命名为“浊气”或“毒气”。在同一年，普利斯特里作类似的燃烧实验，发现使1/5的空气变为碳酸气，用石灰水吸收后的气体不助燃也不助呼吸。由于他同D·卢瑟福都是深信燃素学说的，因此他们把剩下来的气体叫做“被燃素饱和了的空气”。二、氮气的制法1、工业制法工业规模制氮有三类：即深冷空分制氮、变压吸附制氮和膜分离制氮。利用各空气的沸点不同使用液态空气分离法，将氧气和氮气分离。将装氮气的瓶子漆成黑色，装氧气的漆成蓝色。工作流程是:空气经压缩机压缩，进入冷干机进行冷冻干燥，以达到变压吸附制氮系统对原料空气的露点要求。再经过过滤器除去原料空气中的油和水，进入空气缓冲罐，以减少压力波动。最后，经调压阀将压力调至额定的工作压力，送至二台吸附器（内装碳分子筛），空气在此得到分离，制得氮气。原料空气进入其中一台吸附器，产出氮气，另一台吸附器，则减压解吸再生。二台吸附器交替工作，连续供给原料空气，连续产出氮气。氮气送至氮气缓冲罐，通过流量计计量，仪器分析检测，合格的氮气备用，不合格氮气放空。2、实验室制法可用加热氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠晶体(或饱和溶液)的混合物制备氮气.在圆底烧瓶上配一双孔橡皮塞,带上一分液漏斗和一短弯导管.烧瓶中放亚硝酸钠晶体(或饱和溶液),饱和氯化铵溶液由分液漏斗滴入,加热烧瓶到85℃左右,就有氮气产生.当空气排出后可用排水集气法收集氮气或用橡皮球胆直接收集.因为这是放热反应,当反应开始时就应停止加热.实验室中制备少量氮气的基本原理是用适当的氧化剂将氨或铵盐氧化，最常用的是如下几种方法：⑴加热亚硝酸胺的溶液：⑵亚硝酸钠与氯化胺的饱和溶液相互作用：NH4Cl+NaNO2===NaCl+2H2O+N2↑⑶将氨通过红热的氧化铜：2NH3+3CuO===3Cu+3H2O+N2↑⑷氨与溴水反应：8NH3+3Br2(aq)===6NH4Br+N2↑三、氮气的性质1、氮气的物理性质氮气在常况下是一种无色无味的气体，占空气体积分数约78%（氧气约21%），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：项目化学式相对分子质量CAS登录号EINECS登录号英文名称熔点沸点，101.325kPa（1atm）时临界温度临界压力临界体积临界密度临界压缩系数液体密度，-180℃时液体热膨胀系数，-180℃时表面张力，-210℃时气体密度，101.325kPa(atm)和70F(21.1℃)时气体相对密度，101.325kPa(1atm)和70F时(空气=1)汽化热，沸点下熔化热，熔点下气体定压比热容cp，25℃时气体定容比热容cv，25℃时气体比热容比，cp/cv液体比热容，-183℃时固体比热容，-223℃时溶解度参数液体摩尔体积在水中的溶解度，25℃时气体黏度，25℃时液体黏度，-150℃时气体热导率，25℃时液体热导率，-150℃时属性N228.0137727-37-9231-783-9Nitrogen63.15K，-210℃77.35K，-195.8℃126.1K，-147.05℃3.4MPa，33.94bar，33.5atm，492.26psia90.1cm3/mol0.3109g/cm30.2920.729g/cm30.007531/℃12.2×10-3N/m，12.2dyn/cm1.160kg/m3，0.0724lb/ft30.967202.76kJ/kg，87.19BTU/1b25.7kJ/kg，11.05BTU/1b1.038kJ/（kg·k），0.248BTU/（1b·R）0.741kJ/（kg·k），0.177BTU/（1b·R）1.4012.13kJ/（kg·k)，0.509BTU/(1b·R)1.489kJ/(kg·k)，0.356BTU/(1b·R)9.082(J/cm3)0.534.677cm3/mol17.28×10-6(w)175.44×10-7Pa·s，17.544μPa·s0.038mPa·s，0.038cp0.02475W/(m·K)0.0646W/(m·K)2、氮气的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的话，N2是热力学稳定状态结构。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。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活泼金属反应N2与金属锂在常温下就可直接反应：6Li+N2===2Li3NN2与碱土金属Mg、Ca、Sr、Ba在炽热的温度下作用：3Ca+N2=△=Ca3N2N2与镁条反应：3Mg+N2=点燃=Mg3N2(氮化镁)非金属反应N2与氢气反应制氨气：N2+3H2⇌2NH3（高温高压催化剂）N2与硼要在白热的温度才能反应：2B+N2===2BN（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。四、氮气的用途氮主要用于合成氨，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。[5]一、氧气的发现发现历史普利斯特里从布莱克煅烧石灰石对CO2的发现受到启发，利用凸透镜聚集太阳光使一些物质燃烧或分解放出气体并进行研究。1774年8月1日，普利斯特里终于成功地制得了氧气，成为化学史上有重大意义的事件。他的实验非常简单，把氧化汞放在一个充满水银的玻璃瓶里，然后，把玻璃瓶倒放在水银槽中，玻璃瓶完全被水银充满，空气全被排除掉，氧化汞浮在最上面。然后，他用凸透镜聚集太阳光，照射到氧化汞上，使氧化汞受热。经过长期加热，温度逐渐升高，氧化汞受热分解成汞，并放出氧气。于是，氧气聚集起来排走玻璃瓶中的汞，使汞面降低。气体空间体积不断增加，直到气体体积为氧化汞体积的三四倍为止。其反应方程式为：。但是，当初他并不知道制得的纯净气体是氧气。尽管如此，细心的普利斯特里又做了许多试验来了解这种气体的性质，以及它同别种“空气”的区别。他的研究方法是：1.他将研究的气体放在玻璃瓶中，倒一些水进去，该气体不溶解。2.他把燃烧的蜡烛放进该气体中，蜡烛竟放出耀眼的强光。3.他把一只老鼠放到充满该气体的瓶子里，老鼠活蹦乱跳，很自在，他猜想人吸入了可能也好受。4.他用玻璃管把大瓶中的氧气吸入肺中，并记下自己的感觉：“我觉得十分愉快，我肺部的感觉好像和平常呼吸空气一样，没有什么不适。而且，吸进这种气体后，好久好久，身体还是十分轻松愉快。也许，有一天，谁能断定这种气体不会变成时髦的奢侈品呢？不过。现在，世界上能够享受这种气体的愉快，只有两只老鼠和我自己。”普氏从上述实验中得出，该气体有助燃、助呼吸作用，这些性质与一般空气类似，但作用更强。但是，他把氧气所这种新气体错误地用燃素说来解释，并把制得的氧气称为“脱燃素空气”。由于运用了错误的理论，这种命名是不恰当的。1772年，舍勒对空气进行研究后，他首先认识到氧气是空气的一种重要成分。他用硫磺和铁粉混合，在空气中燃烧，消耗掉钟罩中空气中的氧气而制得氮气，当时他称它为“浊气”或“用过的空气”，或能使人死亡的气体。经过思索，舍勒明白了，原来当时人们认为空气是一种元素的观点是错误的。他猜想：空气是两种不同物质的混合，一种是浊气，能使人死亡的空气；一种是能使人活命的空气，能帮助燃烧，在燃烧中消失。于是，舍勒产生了兴趣，并开始了他的实验。1773年，他把硝石（KNO3）