Ứng dụng của khí Nitơ (N2) trong đời sống

23/12/2022

Cơ thể chúng ta hô hấp oxy để duy trì sự sống, nhưng không khí chúng ta hít vào chủ yếu là nitơ, nitơ rất cần thiết cho sự sống. Bạn dễ dàng bắt gặp nó trong thực phẩm, dược phẩm, các loại hóa chất thông thường, nó hiện hữu xung quanh chúng ta hàng ngày. Nitơ là khí chính trong khí quyển. Nó chiếm 78,084% thể tích trong không khí khô và điều đó khiến nó trở thành loại khí phổ biến nhất trong khí quyển. Hãy cùng khí công nghiệp Hỷ Vân đi tìm hiểu về loại khí này qua bài viết dưới đây.

1. Khí Nitơ là gì?

Nitơ hay nitrogen là một nguyên tố hóa học ở vị trí thứ 7, chu kì 2, thuộc nhóm VA trong bảng tuần hoàn hóa học. Công thức hóa học của nitơ là N₂ và thường tồn tại ở dạng khí với liên kết 3.
Nitơ là một thành phần quan trọng của khí quyển giúp bảo vệ trái đất khỏi tác động và sự phá hủy của bức xạ mặt trời.
Nitơ chiếm khoảng 78% thể tích không khí và là một phần quan trọng tạo nên môi trường sống của tất cả các sinh vật sống.
Nitơ thường tồn tại ở 2 dạng là nitơ khí và nitơ lỏng. Trong đó nitơ lỏng được sử dụng phổ biến hơn vì các đặc tính hữu ích của nó.

a. Tính chất vật lý

- Ở điều kiện thường, Nitơ là chất khí không màu, không mùi, không vị.
- Nitơ tương đối trơ và không bắt lửa.
- Nitơ nhẹ hơn không khí, hóa lỏng ở -196 °C và hoá rắn ở nhiệt độ rất thấp -210 °C.
- Nitơ ít tan trong nước, không duy trì sự cháy và sự hô hấp.
- Nitơ lỏng là trạng thái hóa lỏng của Nitơ, đây là một dạng hợp chất giống nước nhưng chỉ có 80,8% nitơ ở điểm sôi, có hằng số điện môi là 1,4 và được kí hiệu là là LN2 , LN hoặc LIN.
- Tỷ lệ giãn nở lỏng-khí của nitơ là 1:694, có nghĩa là nitơ lỏng sôi để lấp đầy một thể tích bằng khí nitơ rất nhanh, trung bình 1 lít nitơ lỏng sẽ tạo ra được 700 lít khi Nitơ dạng khí.

b. Tính chất hóa học

- Nitơ là một phi kim, với độ âm điện là 3,04. Nó là chất dẫn nhiệt và điện kém và không có ánh kim loại ở thể rắn.
- Nitơ là một chất có liên kết 3 rất bền, thậm chí ở 3000 °C nó vẫn chưa bị phân hủy thành các nguyên tử.
- Ở trong điều kiện nhiệt độ thường, khí nitơ chỉ phản ứng với Liti. Liti cháy trong không khí có N₂ tạo ra Liti nitrua.
  - 6Li + N₂ → 2Li₃N
- Còn ở nhiệt độ cao thì khí nitơ tác dụng với hidro tạo amoniac.
  - N₂ + 3H₂ → ← 2NH₃ (nhiệt độ, P, chất xúc tác)
- Khi tham gia phản ứng oxi hóa – khử, nitơ có thể tăng hoặc giảm số oxi hóa. Vì vậy nitơ vừa có tính oxi hóa, vừa có tính khử. Trong đó, tính oxi hóa là tính chất chủ yếu của N₂.

2. Lịch sử khám phá ra khí Nitơ

Nitơ lần đầu tiên được phát hiện và phân lập bởi bác sĩ người Scotland Daniel Rutherford vào năm 1772 khi mới chỉ 23 tuổi. Ông là một nhà hóa học người Scotland và là một bác sĩ có niềm đam mê tìm hiểu về các loại khí. Để tách được Nitơ trong không khí, Rutherford đã đặt một con chuột vào trong một không gian kín, con chuột sẽ chết một cách tự nhiên khi lượng oxy cạn kiệt. Anh ta tiếp tục đốt một ngọn nến và một miếng phốt pho để đảm bảo rằng tất cả oxy đã biến mất. Sau đó, anh ta cho lượng không khí còn lại đi qua một dung dịch hấp thụ carbon dioxide còn sót lại trong đó. Khi kết thúc quá trình phức tạp, Rutherford vẫn còn một lượng đáng kể khí bí ẩn trong bình chứa, không mùi, không màu và không vị. Ông gọi nó là “không khí độc hại”, nhưng trên thực tế, ông là người đầu tiên cô lập thành công nitơ.
Mặc dù Carl Wilhelm Scheele và Henry Cavendish cũng đã phát hiện ra Nitơ cùng lúc, nhưng Rutherford thường được công nhận vì công trình của ông được xuất bản đầu tiên.

Daniel Rutherford được cho là người đầu tiên phân lập được khí nitơ

Cái tên nitrogen được đề xuất bởi nhà hóa học người Pháp Jean Antoine Claude Chaptal vào năm 1790 khi người ta phát hiện ra rằng nitơ có trong axit nitric và nitrat .
Thay vào đó, Antoine Lavoisier đề xuất cái tên azote, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp cổ đại nghĩa là “không có sự sống”. Tên này được sử dụng trong một số ngôn ngữ bao gồm tiếng Pháp, tiếng Ý, tiếng Nga, tiếng Rumani, tiếng Bồ Đào Nha và tiếng Thổ Nhĩ Kỳ, và xuất hiện trong tên tiếng Anh của một số hợp chất nitơ như hydrazine, azide và các hợp chất azo.

Nitơ lần đầu tiên được hóa lỏng vào ngày 15 tháng 4 năm 1883 bởi các nhà vật lý người Ba Lan Zygmunt Wróblewski và Karol Olszewski.

3. Vai trò sinh học của Nitơ

Nitơ là thành phần quan trọng của axit amin và axit nucleic, điều đó cho thấy nitơ rất cần thiết cho sự sống trên trái đất. Nitơ nguyên tố trong khí quyển không được thực vật và động vật sử dụng trực tiếp mà phải qua một quá trình xử lý, tổng hợp hoặc cố định. Một số loại vi khuẩn trong đất có thể “cố định” nitơ thành dạng mà thực vật và động vật có thể sử dụng để tạo ra axit amin và protein. Mưa thường chứa một lượng đáng kể amoni và nitrat, được cho là sản phẩm của quá trình cố định nitơ do sấm sét và các hiện tượng khí quyển khác tạo nên.

Nitơ đóng vai trò quan trọng với đời sống thực vật, đảm bảo cho cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt. Nitơ tham gia vào cấu tạo của các phân tử như enzim, coenzim, protein, axit nucleic, ATP, diệp lục,… Khí nitơ giúp cây điều hoà sinh trưởng. Nitơ có tác dụng hai mặt đến năng suất cây trồng, nếu cây trồng thừa hay thiếu Nitơ đều có hại. Nếu thiếu sẽ khiến lá cây chuyển thành màu vàng, còn nếu thừa sẽ khiến cây phát triển quá nhanh, dễ bị đổ, lốp.

Nitơ đóng vai trò vô cùng quan trọng với sự phát triển của sinh vật

Nitơ cũng tham gia vào điều tiết quá trình trao đổi chất và trạng thái ngậm nước của các tế bào, nó ảnh hưởng trực tiếp đến các hoạt động của tế bào. Nitơ làm tăng hàm lượng Protein trong thực vật, bởi đây là thành phần chủ yếu tham gia tái tạo cấu trúc nguyên sinh của tế bào. Nitơ có trong acid nucleic – chất đóng vai trò trong quá trình sinh tổng hợp Protein, vì thế sẽ quyết định quá trình phân chia và sự sinh trưởng của tế bào.

Bên cạnh đó, Nitơ còn giúp quyết định hoạt động quang hợp của cây trồng, bằng cách cung cấp các chất hữu cơ cho sự sống của sinh vật trên trái đất. PhytoChrome là chất có nhiệm vụ giúp điều chỉnh quá trình sinh trưởng, phát triển của cây có liên quan đến ánh sáng, ví dụ như phản ứng quang chu kỳ, sự nảy mầm, tính hướng quang. Mà Nitơ lại tham gia trong thành phần của PhytoChrome.

Tuy không khí con người hít thở chiếm tới 78% N₂ nhưng chúng ta không thể sử dụng N₂ thông qua hô hấp. Con người hấp thụ Nitơ thông qua việc tiêu thụ thực vật hoặc động vật đã tiêu thụ thảm thực vật giàu Nitơ.

4. Ứng dụng của Nitơ trong công nghiệp

Ni-tơ được sử dụng rộng rãi, chủ yếu do tính chất không phản ứng khi tiếp xúc với các loại khí khác. Sự kém phản ứng của ni-tơ là tính chất quan trọng chất của chúng và được sử dụng để ngăn chặn các quá trình oxy hóa. Một số ứng dụng phổ biến của Nitrogen trong công nghiệp như:

Bảo quản thực phẩm

Nitơ được sử dụng trong lĩnh vực đóng gói thực phẩm. Oxy trong bao bì sẽ được loại bỏ và thay thế bằng Nitơ.
Khí nitơ cung cấp một bầu không khí trơ, nó có thể giúp bảo quản những thực phẩm dễ hỏng, làm chậm quá trình ôi thiu và các hư hỏng oxy hóa khác xảy ra đối với thực phẩm.
Ngoài ra Nitơ cũng có tác dụng làm khí “đệm” các chất bên trong gói thực phẩm để ngăn gói bị xẹp và làm hỏng các sản phẩm thực phẩm bên trong. Các mặt hàng như gói giòn thường được đệm bằng nitơ để duy trì mức áp suất phù hợp và giữ cho khoai tây chiên giòn không bị vỡ vụn trong quá trình vận chuyển.

Sử dụng khí Nitơ bảo quản thực phẩm

Y học

Nitơ lỏng giúp bảo quản lạnh để bảo quản tinh trùng, trứng, máu và nhiều mẫu vật sinh học khác. Tinh trùng được giữ trong các bình được bơm khí Nitơ lỏng ở nhiệt độ -196 °C có thể lưu giữ bảo quản trong khoảng 10 năm. Tinh trùng được bảo quản kỹ lưỡng hoàn toàn có thể sử dụng để thụ tinh nhân tạo. Những đứa trẻ sinh ra bằng tinh trùng bảo quản hoặc phôi bảo quản phát triển hoàn toàn bình thường, không có vấn đề gì liên quan đến sức khỏe.

Dược phẩm

Nitơ được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dược phẩm. Trên thực tế, nó có mặt trong mọi loại thuốc dược lý chính, bao gồm cả thuốc kháng sinh.
Nitơ được sử dụng trong hầu hết các khâu từ bảo quản nguyên liệu thô, quá trình sản xuất cũng như đóng gói bao bì và vận chuyển dược phẩm. Nitơ giúp tạo ra một môi trường vô trùng, tránh ô nhiễm không khí. Áp suất dương được tạo ra với Nitơ, việc tạo áp suất dương ngăn chặn sự xâm nhập của không khí, do đó loại bỏ nguy cơ nhiễm bẩn.
Oxit nitơ được sử dụng làm thuốc mê.

Công nghệ chiếu sáng

Vonfram là một kim loại cháy khi có oxy, đây là lý do chính khiến loại khí không phản ứng như nitơ được sử dụng bên trong bóng đèn. Nitơ cũng rẻ hơn khi so sánh với các loại khí trơ khác như argon, heli hoặc radon.

Luyện kim và chế tác kim loại

Quá trình nấu chảy và đúc thép đều cần sử dụng nitơ. Nitơ ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng, khả năng định hình và tính chất lão hóa của thép. Tùy theo đặc điểm công việc và nhu cầu sử dụng mà định lượng và mức độ sử dụng nitơ sẽ khác nhau.
Ngoài ra khí nitrogen còn có tác dụng kiểm soát lượng oxy trong lò luyện kim, phòng tránh nhiệt độ tăng cao đột ngột gây cháy nổ nguy hiểm. Khí Nitơ phủ lên bề mặt kim loại sẽ khiến kim loại bền màu, không bị mài mòn, han gỉ, tăng độ bền, tuổi thọ sử dụng.
Khí Nitơ cũng được dùng để tẩy rửa, bóc tách các loại tạp chất phát sinh trong sản xuất thép không gỉ, nâng cao chất lượng thép.

Sử dụng khí nitơ trong quá trình luyện thép giúp tăng chất lượng thép không gỉ

Công nghệ hàn

Quá trình hàn có thể bị cản trở bởi sự hiện diện của oxy vì nó cản trở kim loại, đặc biệt nếu có bất kỳ sự hiện diện nào của hơi ẩm trong môi trường có thể gây ra phản ứng ăn mòn. Quá trình hàn sẽ kém hiệu quả hơn khi được thực hiện trong môi trường giàu oxy.
Nitơ là một loại khí an toàn, khô và không cháy, nó tạo ra một môi trường thuận lợi cho quá trình hàn kim loại. Nitơ bảo vệ mối hàn cho đến khi nó nguội đến mức quá trình oxy hóa không còn xảy ra. Nó cũng được sử dụng làm khí bảo vệ để bảo vệ các quy trình công nghệ chống lại quá trình oxy hóa.

Ngành Xây dựng

“Phụ kiện co ngót” ngày nay được sử dụng rất phổ biến trong ngành xây dựng. Người ta sử dụng nitơ lỏng có nhiệt độ thấp để khiến cho phần bên trong của kim loại co lại. Sau khi được lắp đặt vào vị trí yêu cầu, nhiệt độ trở lại bình thường và kim loại trở lại kích thước ban đầu khiến nó vừa khít.
Nitơ lỏng cũng được sử dụng trong xây dựng đường hầm, nơi mặt đất bị ngâm nước. Nitơ lỏng được bơm vào lòng đất thông qua các đường ống, khi nitơ được lắng đọng trong đất, nó bốc hơi loại bỏ nhiệt từ đất và đóng băng nó. Điều này giúp quá trình xây dựng đường hầm dễ dàng hơn.

Công nghệ in 3D

Có một quy tắc rất đơn giản trong in 3D đó là: bầu không khí càng trong lành thì các bộ phận được sản xuất càng có chất lượng tốt hơn.
Trong quá trình in 3D, sự kết hợp giữa laser và bột kim loại hoặc nhựa đòi hỏi một môi trường trơ. Nitơ được bơm vào để giảm lượng oxy trong không khí sản xuất và giảm nguy cơ cháy.
Việc sử dụng Nitơ để tạo một môi trường trơ cho quá trình sản xuất sản phẩm in 3D sẽ đáp ứng các tiêu chuẩn dung sai cao cần thiết trong sản xuất linh kiện.

Công nghệ điện tử, bán dẫn

Khí Nitơ được dùng nhiều trong công nghệ điện tử bán dẫn. Thiết bị điện tử, thiết bị bán dẫn, thiết bị y tế là những sản phẩm luôn yêu cầu độ chính xác cao. Để đảm bảo được chất lượng của các linh kiện điện tử này, người ta thường sử dụng Nitơ để xì khô và bảo quản các thiết bị.
Khí Nitrogen có tác dụng giúp duy trì các linh kiện, thiết bị ở trạng thái tốt nhất theo như thiết kế ban đầu. Tránh các tác nhân oxy hóa không mong muốn làm ảnh hưởng đến các thiết bị.
Nitơ lỏng được sử dụng trong thiết bị tản nhiệt làm mát để tăng tốc CPU, GPU, hay các thiết bị phần cứng khác.
Nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống chữa cháy cho thiết bị CNTT.
Nitơ cũng được sử dụng trong máy dò tia X.

- - Xem thêm: Vai trò của khí công nghiệp trong sản xuất chất bán dẫn

Khai thác dầu khí

Trong quá trình khai khác dầu khí, khi càng hút, trữ lượng dầu khí sẽ càng giảm, đồng thời giảm áp suất trong mỏ. Điều này gây khó khăn cho việc hút dầu khí lên để khai thác. Vấn đề này được giải quyết bằng cách bơm một lượng khí vừa đủ xuống để tạo áp suất và đẩy trữ lượng dầu còn lại lên. Thông qua đó, đẩy nhanh quá trình khai thác khí trong dầu mỏ.
Nitrogen là loại khí thường được sử dụng trong trường hợp này. Bởi nó có các đặc tính cần thiết như là khí trơ, hiệu suất nén tốt. Đặc biệt có thể phòng tránh được nguy cơ cháy nổ xảy ra trong mỏ. Đồng thời, giá cả của nó tương đối rẻ, đáp ứng mọi tiêu chí cần thiết trong quá trình khai thác mỏ.

Bơm lốp xe

Nitơ được sử dụng để bơm lốp của xe đua và máy bay vì nó không nóng lên nhanh chóng và duy trì áp suất ổn định trong thời gian dài hơn.
Nitơ khô và không chứa bất kỳ độ ẩm nào, do đó, điều này ngăn cản sự rỉ sét của vành lốp.
Nó cũng giúp cao su của lốp xe chậm lão hóa hơn.

- Xem thêm: Ưu điểm của việc bơm khí nitơ vào lốp xe

Sản xuất bia

Trong một số loại bia như bia đen và bia Anh, nitơ được sử dụng để thay thế hoặc trộn cùng với carbon dioxide vì nó tạo ra các bong bóng nhỏ hơn giúp phân phối bia dễ dàng hơn.
Nitơ cũng được sử dụng để sạc vào các lon bia và chai giúp bảo quản bia. Nó giúp duy trì độ tươi ngon của bia. Tránh cho bia bị oxy tiếp xúc dẫn đến bia bị lên men, có mùi chua.
Ngoài ra Nitrogen còn dùng để tẩy sạch các thùng chứa, bình chứa bia trước khi tái sử dụng lại. Vì khí Nitơ có thể đuổi oxy trong bình mà không làm ảnh hường đến chất lượng của bia.

Hệ thống chữa cháy

Sự hiện diện của oxy khiến lửa cháy mạnh hơn và lan nhanh. Nitơ được sử dụng trong hệ thống chữa cháy để giảm nồng độ oxy, từ đó dập tắt đám cháy nhanh chóng.

Công nghiệp hóa chất

Trong quá trình chuẩn bị mẫu hoặc phân tích hóa học, nitơ là loại khí được sử dụng phổ biến nhất. Nó hỗ trợ giảm thể tích và nồng độ của các mẫu hóa chất.

Nitơ trong nghiên cứu và giáo dục

Nitơ được sử dụng trong phân tích mẫu. Nitơ là thành phần của nhiều hợp chất nên còn được dùng trong hóa học, đảm bảo cho quá trình nghiên cứu và giảng dạy cho học sinh, sinh viên tính chất của một số hợp chất khác.

5. Sản xuất khí Nitơ

a. Điều chế khí Nitơ trong phòng thí nghiệm

Bằng cách nhiệt phân một lượng nhỏ amoni clorua và natri nitrit, người ta có thể điều chế ra khí N₂

- NH₄NO₂ → N2 (↑) + 2H₂O (nhiệt độ)
- NH₄Cl + NaNO₂ → N₂ (↑) + NaCl + 2H₂O (nhiệt độ)

Ngoài ra người ta cũng có thể đun nóng amoni dicromat (NH₄)₂Cr₂O₇ hoặc phân hủy nhiệt Natri Azide hoặc Bari Azide để điều chế N₂

b. Sản xuất khí Nitơ trong công nghiệp

Vì Nitơ rất dồi dào trong khí quyển nên nó là một loại khí tương đối rẻ để sản xuất với số lượng lớn ở mức độ tinh khiết cao. Có nhiều phương pháp sản xuất khí Nitơ công nghiệp, người ta thường ưu tiên sử dụng các phương pháp tạo ra được nhiều sản phẩm và tốn ít chi phí nhất có thể. Hai trong số nhiều phương pháp được sử dụng nhiều nhất để sản xuất N₂ là:

- Phương pháp cơ học: lọc màng, sử dụng áp suất (PSA)
- Phương pháp chưng cất phân đoạn không khí thành dạng lỏng dưới áp suất cao và nhiệt độ cực thấp. Khi nhiệt độ không khí lỏng được hạ xuống -196 °C, nitơ sôi và được lấy ra.

6. Lưu ý khi sử dụng Nitơ lỏng

Khi làm việc với nitơ lỏng, thực hiện các biện pháp phòng ngừa an toàn là điều tối quan trọng:

- Nitơ lỏng đủ lạnh để gây tê cóng nghiêm trọng khi tiếp xúc với mô sống. Bạn phải mặc đồ bảo hộ thích hợp khi xử lý nitơ lỏng để tránh tiếp xúc hoặc hít phải hơi cực lạnh.
- Uống nitơ lỏng có thể gây chết người. Ngoài nhiệt độ thấp khiến các mô bị đóng băng, vấn đề nguy hiểm thực sự là sự giãn nở nhanh chóng từ chất lỏng thành chất khí sẽ làm vỡ đường tiêu hóa.
- Vì nó sôi rất nhanh nên quá trình chuyển pha từ lỏng sang khí có thể tạo ra ra áp suất cao rất nhanh chóng. Vì vậy không để nitơ lỏng trong hộp kín, vì điều này có thể dẫn đến vỡ hoặc nổ.
- Thêm một lượng lớn nitơ vào không khí sẽ làm giảm lượng oxy tương đối, điều này có thể dẫn đến nguy cơ ngạt thở. Khí nitơ lạnh nặng hơn không khí nên rủi ro lớn nhất là ở gần mặt đất. Cần sử dụng nitơ lỏng ở nơi thông thoáng.
- Bình chứa nitơ lỏng có thể tích tụ oxy ngưng tụ từ không khí. Khi nitơ bay hơi, có nguy cơ xảy ra quá trình oxy hóa mạnh các chất hữu cơ.

7. Đơn vị cung cấp khí Nitơ công nghiệp

Công ty khí công nghiệp Hỷ Vân nhận thấy các ứng dụng rộng rãi của khí Nitơ trong đời sống. Do đó đã trở thành đơn vị chuyên cung cấp khí công nghiệp chuyên nghiệp trên thị trường Việt Nam. Với những sản phẩm có chất lượng cao và độ tinh khiết tốt nhất. Dịch vụ tận tâm, nhanh chóng và an toàn, chúng tôi sẵn sàng phục vụ mọi nhu cầu của khách hàng.

bình khí lỏng tại công ty Khí Công Nghiệp Hỷ Vân — Khí Công Nghiệp Hỷ Vân chuyên cung cấp khí nitơ công nghiệp, nitơ lỏng

Khí công nghiệp Hỷ Vân là một trong những nhà cung cấp khí Nitơ công nghiệp, Nitơ tinh khiết, Nitơ lỏng uy tín hàng đầu, chúng tôi chuyên sản xuất, chiết nạp, bán lẻ khí Nitơ chất lượng cao.
Quý khách hàng có nhu cầu đặt hàng có thể liên hệ số điện thoại 0969.690.155 để được tư vấn trực tiếp, miễn phí!