氮气及稀有气体介绍和应用
朱光朋
南京信息工程大学 应用气象学院应气（1）20081302020
摘要：空气中的氮气含量非常丰富多达78%，氮气是植物的三大营养元素之一，也是蛋白质组成的主要元素之一。对自然界，人类社会有着很大的影响，氮气在工业上的作用也是相当大。稀有气体虽然占空气中极少的部分，但是稀有气体对于人类的工业领域却有着极大的价值。
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空气中的成分主要是以氮气，氧气为主，其次为二氧化碳，稀有气体，氢和甲烷等微量气体。在长期的自然界的变化中，空气才以氮气于氧气为主。在绿色植物出现以前，原始大气是以一氧化碳，二氧化碳，甲烷和氨为主；在绿色植物出现以后，植物在光和作用中放出游离氧，使得一氧化碳变为二氧化碳，甲烷变为水汽和二氧化碳，氨气变为氮气和水汽。长此以往，空气组成经过漫长的岁月变为现在的组成成分，即现代空气。
空气中的成分都有比较广的应用，对人类的社会，工业等都有着比较大的影响。
1..空气中的氮气
氮气在空气的体积相对含量高达78%，是一个非常丰富的空气资源要素。氮是构成蛋白质的重要组成成分，同时蛋白质又是生命的基础；氮在地球的生物起源与进化中起着非常重要的作用。纯净的氮气是无色，无味的气体，它的密度比空气略小，在水中很难溶解，在常压冷却到-196℃时即变为无色的液体。
近地层的空气中的氮密度随高度随海拔高度的升高而减少。据计算，在海平面高度，氮的年平均密度约为920mg/L；在海拔1000m高度处为820mg/L，海拔3000m高度处为660mg/L,海拔5000m高度处仅为533mg/L。
氮是植物的三大营养元素之一。在夏季出现强雷雨的天气时，天空闪电经过的路径上所造成的高温，可以使大气中的氮气和氧气发生一系列的反应，会形成氮氧化和物；经雨滴吸收后变为浓度很低的硝酸；进入土壤后再与其他物质化合成植物所需的硝酸态氮，从而使土壤从空气中得到氮肥。据估计，每年全世界因发生雷电而溶入土壤里的氮肥约有四亿吨。[7]
2.氮的应用
央行货币政策 氮已经在工业，农业及科学研究中被广泛的应用。
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氮气在工业上利用氮气的化学性质不活泼，不容易与其他的物质发生反应，工业上利用氮气作为焊接金属的保护气。在钢铁企业中，氮气是空分设备生产的副产品之一，因其属性质不活泼且纯度高的惰性气体，所以主要用于保护制氧机安全运行和高炉、转炉密封以及工艺仪表用气等。【1】
在采煤业中，煤层气开采是一种 比较复杂的扩散过程 ，是单相气体在微孔系统 ( 原生孔隙)扩散和气水两相在割理系统 ( 次生孔隙)扩散 的相互作用过程。这种内生裂缝是煤层气开采的主要流通渠，道并且煤层类型和割理也影响煤层气的开采。一般煤层气初次采收率大约为50% 。为了提高煤层气采收率 ( E C B M) ，储层必须保持一定的压力 (一般做法是注入另外一种气体) ，同时还要求降低甲烷气体分压。由于氮气是在大气中大量存在 的气体，该技术首先就是基于氮气注入技术，利用生物酶将氮气转化成氨，氨相比于氮气来说，在煤层表面具有很强的吸附能力，使甲烷更有效地从煤层中释放出来根据最优吸附一解吸原理。因此利用该技术，会达到提高采收率的目的。另外，从氮气转化为氨气方程中
可以看出，一个分子氮气可以转化为2个分子氨气 ，这样有利于提高该体系的经济实用性。N2+ 8H + +8e一→ 2NH3+ H2+N2 + 固氮酶→NH刻不容缓3+(催化剂)+还原剂[2]
二元金属氮化物具有广泛的应用。碱金属和碱土金属氮化物L i3 N、Na N3、Mg 3病毒性营销N2和C a N 等可作为制备其它二元或多元氮化物的重要原料或助熔剂。稀土氮化物 ( YN、 L a N 和 Ce N) 可用作耐高温材料。Ⅲ族金属氮化物 Al N、Ga N和I n N是很好的衬底材料和 L E D材料，其中 Al N是具有优良综合性能的新型陶瓷， 也是大规模集成电路和大功率器件的
散热材料和封装材料。过渡金属 氮化 物 ( Ti N、 VN、 Z r N、Nb N和Cr2 N等) 具有很好 的力学和热学性能，被广泛应用于切削工具、耐磨部件和高温结构材料等； 同时它们还具有独特的光学、电学和磁学性能，可用于制作电磁元件。另外，很多过渡金属氮化物都具有超导电性，有些可作为制备新超导体的原料.氮化物的合成方法有很多， 除了氮气与金属直接反应合成氮化物的方法以外，按照氮源的不同可以进行以下分类。①氨气氮化法②固相置换法以活泼金属氮化物作为氮源合成氮化物③以有机物(尿素、三聚氰胺和二氰胺等) 或铵盐作为氮源是新近发展的制取氮化物的一种方法。[3]
除去以上的工业的应用以外，由于氮气不能容易供给呼吸，在氮气中害虫会窒息，植物的代谢作用会减慢，所以氮气也常常用于保藏珍贵的书画，贮藏粮食，蔬菜，水果等。还可用于填充灯泡以减慢钨丝的蒸发速度，延长灯泡的使用寿命。
3.稀有气体
稀有气体是了氦、氖、氩、氪、氙、氡等气体的总称，属于化学元素周期表的零族元素，化学元素极为不活泼。这些元素都是无色，无臭，无味的气体，微溶于水，其溶解的速度随相对分子质量的增加而升增大。稀有气体分子由单原子分子组成，熔点和沸点都很低，并相随相对原子质量的增加而升高；它们在低温的时候可以被液化，出氦以外的其他五种气体都可以在充分降温下凝固。稀有气体的六种元素发现 于1894 年-1910年。当时的那段 时间正是人类化学元素发现的丰收年而完成这一旷世之举的首要功臣当属著名化学家莱姆塞。
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莱姆塞全名为威廉·莱姆塞英国著名化学家（1852/10/02--1919）,他曾告诫年轻人做学问的基础是：“多看，多学，多试。如有成果，绝不炫耀。一个人若怕费时，费事，他将一事无成。“[4]
下面我们按稀有气体元素发现的先后顺序，分别介绍这六种元素的发现经过。
3.1氩Ar
稀有气体中最先被发现的是氩。早在1785年，英国著名科学家卡文迪许 ( 1731—1810 )在研究氮气时 ，把空气中的巳知成分氮、氧、二氧化碳等除尽后，仍残留少量气体，但这个现象当时并没有引起化学家们应有的重视。谁也没有想到，就在这少量气体里竟隐藏着一个化学元素家族。100多年后 ，1892 年 ，英 国物理学家瑞利(1842—1919 )在研究氮气时发现从氮的化合物中分离出来的氮气和从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升相差0．0064g，这微小的差别引起了瑞利的注意。同时化学家拉姆塞已测定的氮密度值，获得了同样的结果，于是瑞利与拉姆塞合作，把空气中的氮气和氧气等除去，用光谱分析鉴定剩余气体 ，终于在1894年发现了新的气体——氩。由于氩和许多试剂都不发生反应．极不活泼，故被命名为Argon ，其希腊文原意是“不活泼的、惰性的” ，大气中含0．934％的氩。氩的发现在科学界引起了极大的反响．它的化学不活泼性是出乎意料的。人们还不知道氩在周期表中应该放在什么位置。
3.2 氦He
在氩被发现以后不久，接着发现的稀有气体元素是氦，它首先是在太阳大气中发现的。早1868年，法国天文学家詹森 (1824 — 1907)在观察 F I 全食时，就在太阳光谱上观察到一
条黄线D 3 ，这和已知的钠光谱的D l 和D 2 两条线不相同。两个月后，英国天文学家洛克耶尔（1836—1920)也观测到这条黄线，经过进一步研究，认识到这是一条不属于任何已知元素的谱线，所以洛克耶尔把这个元索取名为H e l i u m。希腊 文原意是 “ 太阳” ，后缀一 i u m是指金属元素而言。 1895年初瑞利和拉姆塞得悉美国人希尔布兰德在研究钇铀矿时发现：将这种矿物加硫酸煮沸。放出了某种气体。1895 年，拉姆塞重做了希尔布兰德的实验，获得了约20cm 3的气体。用光谱鉴定为氦。并证实了氦也是一种稀有气体，而不是金属元素。这样，第二个稀有气体在地球上也被发现了。不久人们又发现氦不仅存在于铀矿中，也存在于其他天然物中。特别是大气中。
3.3 氪Kr 、氖Ne 、氙Xe
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由于氦和氩的性质非常相近，而且它们与周期系中已被发现的其它元素在性质上有很大差异．拉姆塞根据周期系的规律性，推测出氦和氩可能是另一族元素，并且可能有一个性质和氦、氩相近的家族。果然，在1898年5月30日拉姆塞和特拉弗斯在大量液态空气蒸发后
的残余物中，用光谱分析首先发现了比氩重的氪 ，他们把它命名为K r y p t o n ．即“ 隐藏”之意。1898年6月，拉姆塞和特拉弗斯在蒸发液态氩时收集了最先逸出的气体，用光谱分析发现了比氩轻的氖，并把它命名为neon，源自希腊词neos ．意为 “ 新” ，即从空气中发现的新气体。1898年7月12日，拉姆塞和特拉弗斯在分馏液态空气，制得氪和氖后 ，又把氪反复地分次液化、挥发，从其中又分出一种质量比氪更重的新气体氙，命名为Xenon ，希腊文意为 “ 陌生的，奇异的” ，即为人们所生疏的气体 ，因为它在空气中的含量极少，仅占总体积的一亿分之八。稀有气体的发现被誉为 “ 第三位数字”的胜利．也就是分析的高度准确性的胜利。拉姆塞因发现一系列稀有气体元素而荣获l904年的诺贝尔化学奖。
3.4 氡R 皿
氡是一种具有天然放射性的稀有气体，它是镭、钍和锕这些放射性元素在蜕变过程中的产物，因此．只有这些元素发现后才有可能发现氡。1899年，英国物理学家欧文斯和卢瑟福(1871—1937)在研究钍的放射性时发现钍射气，即氡一220。1900年，德国人道恩在研究镭的放射性时发现镭射气 ，即氡一222。1903年 ，德国人吉赛尔（1852—1927）在锕的化合物中发现锕射气，即氡一219。直到1908年，拉姆塞确定镭射气是一种新元素，和已
发现的其它稀有气体一样，是一种化学惰性的稀有气体元素，其它两种射气，是它的同位索。1923 年国际化学会议上命名这种新元素为radon，希腊文“ 闪光的” ．化学符号为R n 至此，氦、氖、氩、氪、氙、氡六种稀有气体作为一个家族全被发现了，它们占据了元素周期表零族的位置。这个位置相当特殊，在它前面是电负性最强的非金属元素。在它后面是电负性最小的金属活泼性最强的金属元素。由于这六种气体元素的化学惰性，很久以来，它们被称为 “ 隋性气体”【脸怎么变白>教师个人简历5】
4.稀有气体的应用
随着工业生产和科学技术的发展 ，稀有气体越来越广泛地应用在工业、 医学、尖端科学技术以至日常生活里。利用稀有气体极不活泼的化学性质，有的生产部门常用它们来作保护气。例如，在焊接精密零件或镁 、铝等活泼金属，以及制造半导体 晶体管 的过程中，常用氩作保护气 。 原子能反应堆的核燃料钚 ，在空气里也会迅速氧化，也需要在氩气保护下进行机械加工 。 向电灯泡里 充氩气可以减少钨丝的升华和防止钨丝氧化，以延长灯泡的使用寿命 。稀有气体通电时会发光 。世界上第一盏霓虹灯是填充氖气制成的(霓虹灯的英文原意是“氖灯 ”) 。 氖是一种惰性气体 ，在一般情况下不与其他物质发生反应。氖在
放电时发出橘红色光辉 ，大量应用于城市霓虹灯 。 我们日常生活中使用的试电笔中也充入氖气，这是利用了氖放电发光以及电阻很大的特性 。 此外，氖被大量用于高能物理研究方面 。 氖灯射出的红光，在空气里透射力很强，可以穿过浓雾 。 因此，氖灯常用在机场、港口 、水陆交通线的灯标上。灯管里充入氩气或氦气 ，通电时分别发出浅蓝色或淡红色光。有的灯管里充入了氖、氩、氦、水银蒸气等四种气体(也有三种或两种的)的混合物。由于各种气体的相对含量不同。便制得五光十色的各种霓虹灯。人们常用的荧光灯 ，是在灯管里充人少量水银和氩气并在内壁涂荧光物质(如卤磷酸钙 )而制成的。通电时，管内因水银蒸气放电而产生紫外线激发荧光物质 使它发 出近似日光的可见光所以又叫做日光灯。
