在标准条件下，即0℃（32华氏度）和标准大气压（101.325 kpa），氮气的密度为0.0012506克每立方厘米。 根据理想气体方程，氮气的密度可以用以下公式计算：密度=气体摩尔质量×气体压力/（气体常数×气体温度）。
为什么氮气密度很重要？
氮密度是指在特定条件下（通常涉及温度和压力）单位体积中所含氮分子的数量。 计算氮气的密度可以帮助控制气体分离和液化过程。 此外，某些科学应用需要计算氮气密度，例如光谱仪器或气体绝缘膜。
测量氮密度
氮密度的标准测量通常由国际标准化组织或各个国家的国家标准化机构制定和传播。 例如，在美国，此类标准通常由美国国家标准协会 (ANSI) 或国家标准与技术研究院 (NIST) 发布。 在欧洲，这些标准通常源自欧洲标准化委员会 (CEN)。
这些标准化组织制定了一套标准测试程序，以根据既定的科学或工程实践获取目标数据。 结果的权威性往往源于对变量的严格控制和仪器的超高精度。
1772年，苏格兰化学家丹尼尔·卢瑟福发现了氮并粗略测量了氮气的密度。 19 世纪末，英国物理学家瑞利加热装有铜屑的玻璃管，并向其中通入去除了水蒸气和二氧化碳的空气。 氧气发生反应并被除去，测得氮气的密度为 1.2572 g/L（这导致了他发现了氩）。 如今，已经发现了更多间接测量方法，可以使用传感器快速测量气体密度。 此外，计算特定温度和压力下气体密度的数学方法已得到广泛应用。
影响氮密度的因素
影响氮密度的几个重要因素：
· 温度
根据查尔斯定律，温度与气体分子的动能成正比。 随着温度升高，气体分子运动更加剧烈，分子之间的距离增加，导致气体密度降低。
· 压力
随着压力增加，气体分子之间的距离减小，导致气体密度增加。
· 纯度
一般来说，纯度越高，氮气密度越大。
· 湿度
添加水分可能会稀释氮气，导致密度降低。
氮的性质
· 氮的化学性质
在室温下，氮气一般不与其他物质发生反应。 它不燃且无毒。 除水和酒精外，氮气不溶于大多数液体。
· 氮的物理性质
氮气是一种常见气体，通常密度比空气低。 在标准大气压下，当冷却到-195.8℃时，氮气变成无色液体，在-209.8℃时，形成雪状固体。
· 氮的生物学功能
氮虽然不直接参与化学反应，但却是植物合成有机化合物的重要原料。 植物通过光合作用产生有机物，氮通常来自土壤中的氮化合物，一些细菌也能够从大气氮气中合成氮分子。
氮气的工业用途
石油和天然气开采以及煤炭开采
石油和天然气井严重依赖氮气。 将氮气注入井中会增加内部压力以提高石油采收率。 同样，用氮气填充天然气会降低其热值，确保运输更安全。 事实证明，在气力输送煤尘过程中使用氮气作为气源是安全且极具成本效益的。
化学工业
氮气是合成氨的主要原料。 它还用于生产氰氨化钙、氰化钠和氮化硅。 高纯度氮气用于聚乙烯的制造。 由于其化学惰性，氮气在许多危险反应中充当保护气体。
冶金
事实上，所有热处理工艺，例如淬火、退火和渗碳，都可以使用氮气来实现。 有色金属冶炼过程中引入氮气可以抑制氧化，从而提高产品纯度。 此外，氮还用于降低钢水中的氢含量，从而提高其强度。 高炉吹氮气可减少焦炭
食品保鲜
将谷物或水果密封后抽出气体，然后充入氮气，形成低真空状态，可以抑制微生物生长，从而长时间保持食品新鲜并防止污染。
航天
火箭上的液氢系统非常危险，它依赖于以氮气作为气源驱动的气动系统。 高压氮气还用于净化火箭燃料管线。 在地面上模拟外层空间还需要大量的液氮和液氦。
液氮和低温
当温度高于-196℃的物体与液氮接触时，根据热力学原理，液氮会通过蒸发吸收物体的热量。 液氮的冷却速度远远超过典型的制冷方法，往往可以实现每分钟降低几摄氏度。 此外，由于氮与有机物缺乏反应性，液氮通常用于保存动植物组织以维持生物活性。
液化氮并不是一件容易的事，储存液氮也面临着一系列挑战。 当液氮汽化时，其体积迅速膨胀； 1立方米液氮可汽化成643立方米氮气。 在密封容器中，这会带来明显的爆炸风险。 通常使用经过测试的专门钢瓶来存储。
如何获得氮气
有几种广泛使用的生产氮气的方法，其中包括：
· 低温空分
该过程也称为低温蒸馏，利用空气中氧气和氮气的沸点不同来分离它们。 通过反复的蒸发和冷凝过程，可以从蒸馏塔中获得高纯度的氮气。 氮气的纯度取决于蒸馏阶段的数量。
· 膜分离
净化的压缩空气通过专门的膜，不同的气体在膜中表现出独特的渗透和扩散特性。 因此，膜的一侧（高压或低压）将含有较高浓度的氧气，而另一侧将含有较高浓度的氮气。
· 变压吸附（PSA）技术
在该方法中，空气在特定压力下通过分子筛。 由于分子筛对氧气和氮气的吸附能力不同，从而将两种气体分离。 需要注意的是，为了连续获得氮气，通常采用两个吸附塔进行气体吸附和释放的循环。
如何储存氮气
我们通常使用高压气瓶来储存压缩氮气。 需要注意的是，储存环境的温度控制对于防止破裂和爆炸至关重要。 液氮还在极低的温度下储存在专门设计的钢瓶中，这使得温度一致性对于液氮储存同样至关重要。
氮气有危险吗？
正常情况下，氮气是无害的。 然而，这取决于环境中氮的浓度以及人体接触氮的持续时间。 氮气泄漏很难检测到，但高浓度的氮气可以在短短 20 秒内导致意识丧失，并在 3 至 4 分钟内致命。 因此，室内不允许释放氮气。 含有大量氮气的工作场所应配备氧气呼吸器。
想象一下氮的潜力
未来，氮气将在更广泛的领域发挥作用。 让我们想象一下，也许氮可以为碳捕获技术做出贡献，以减少温室气体排放。 在氢能源革命中，氮气可能作为一种有效的能量存储介质。 氮的特性在治疗神经退行性疾病方面的潜力也非常有前景。 总之，更好地利用这种无处不在的天然气将是我们的长期使命。
