前陣子去驗車，車廠順便幫輪胎填充氮氣……傳統都是填充空氣，近來則越來越多是打著爲輪胎『填充氮氣』的招牌~『為什麼輪胎填充氮氣會比較好？』，而空氣中氮氣雖多，『高純度氮氣又是如何製造？』因為好奇，查詢手邊書籍、資料，自己做一些功課發現，裡頭的學問不簡單哩。

『為什麼輪胎填充氮氣會比較好？』這裡就輪胎(橡膠)本身老化與胎壓二部分討論。

『橡膠老化』：一般空氣中已經有五分之四的氮氣，還含有水氣與氧氣，氧氣則會使輪胎氧化（橡膠老化）導致強度及彈性下降，且產生龜裂，造成輪胎使用壽命縮短。氮氣具有穩定性，因為N₂是N≡N三鍵，鍵能極大，常溫下幾乎不與任何元素產生反應，只有在高溫時，才能與少數金屬或非金屬元素化合，化性不活潑。

『保持胎壓穩定』：胎壓影響油耗量與穩定度，會使得胎壓改變的因素有『漏氣』與『熱脹冷縮』。正常情況下，氣體會逐漸『擴散』(漏氣)而使胎壓降低，氮氣的擴散程度在輪胎中較一般空氣慢30~40％。(為何是30％，數據沒親自驗證，不過~猜一猜，N₂、O₂誰的擴散速度誰快？答案請反白：是N₂，因為分子量較小~N₂分子量28 、O₂分子量=32，擴散速度與分子量的平方根成反比~看起來純氮氣應該漏氣更快呀！別忘了，一般空氣中還有水氣與其他分子量小的氣體。)

高速行駛或緊急煞車的過程中，因為摩擦生熱輪胎溫度會急速升高，胎壓增加，會有爆胎發生的可能。熱脹冷縮受『水氣』影響很大，輪胎內要氣體乾燥，高純度氮氣因為『含水量少』，減緩熱脹冷縮。輪胎店供應的氮氣是來自『氮氣儲存器』，還是『氮氣製造機』？製造出來的氮氣純度如何？至少一定要有乾燥裝置吧，把水份過濾掉。

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氮氣N₂，是空氣中含量最多的氣體~要怎麼從78％到99.5％？
在國中理化提及O₂、CO₂與H₂的製備，對N₂敘述較少。『氮氣如何純化製造？』在這篇文章之前，我大概只知道靠『液態空氣的汽化』，氮氣沸點(-195.8℃)較氧氣低先蒸發收集。以下關於N₂製造的整理，可以分成物理方法與化學方法二個方向去討論：

『物理方法』，大氣中含量78％左右，可以利用物理性質從大氣中獲得。

(1)沸點差異：液化空氣採用低溫分餾的方式來取得，至於如何將空氣液化，可利用『絕熱膨脹』。

(2)擴散分離：透過氣體擴散速率差異分離混合氣體，O₂與N₂分子擴散速率不同，大氣經加壓，透過特殊的碳分子篩或活性碳等之壓力吸附方式除去水份、二氧化碳、氧氣等。

『化學方法』，在高中化學有不少製造氮氣的重要反應，都是氧化還原反應。

(1)利用亞硝酸銨 (NH₄NO₂) 加熱產生氮氣和水蒸氣，反應式 NH₄NO₂ (s) -->N₂(g) + 2H₂O(g)。

(2)加熱亞硝酸鈉與氯化銨的混合物NaNO₂(s) + NH₄Cl(s) -->NaCl(s) + 2H₂O + N₂(g) 亞硝酸鈉將氯化銨氧化生成氮氣，其中NaNO₂中的N被還原，NH₄Cl中的N被氧化。

(3)將氨氣通過灼熱氧化銅，CuO將NH₃氧化生成N₂。2NH₃(g) + 3CuO(s) -->3Cu(s) + 3H₂O + N₂(g)

(4)利用疊氮化鈉(sodium azide, NaN3)的分解，2NaN₃(S)  --> 2Na (l) + 3N₂(g)  這是安全氣囊中的氮氣製造方法。(當汽車相撞時，安全氣囊內的感應器啟動電流，點燃疊氮化鈉，釋放大量氮氣來填充安全氣囊。)

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除了填充輪胎，氮氣也被應用在食品保存，即所謂的真空充氮包裝，利用減壓抽真空方式來幫助充氮脫氧。另外，研究所做的實驗，因為是合成對空氣敏感的化合物，所以必須在真空氮氣系統中進行反應與純化，使用的是高純度氮氣，並且除水、除氧，更敏感一點的實驗，則是使用氬氣Ar。

『不知道未來有沒有輪胎是填充氬氣Ar?』雖然Ar沒有想像的那麼貴，考慮效能比，應該還不需要這樣『亂用』吧！

分類：科學五四三 2009/02/18 12:32