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從78%到99.5%~談輪胎充氮與氮氣製備

『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。

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2017-06-13 13:59:21 最後編修
2017-06-13 13:58:53 By zfang
 

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N22NH3(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

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