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氮气的这种高度化学稳定性与其分子结构有关，2个N原子以叁键结合成为氮气分子，包含1个σ键和2个π键，因为在化学反应中受到攻击的是π键，而在N₂分子中π键的能级比σ键低，打开π键困难，因而使N₂难以参与化学反应。
氮分子中的两个氮原子之间形成一条σ键和两个π键。与类似的CO、C2H4等分子相比，N2的成键分子轨道σ2p（-15.59 eV）和π2p（-16.73 eV）能量比较低，反键分子轨道π*2p（8.17 eV）能量比较高，不但难以接受电子也不易给出电子，具有较强的稳定性，离解能高达945 kJ/mol，即使在3273 K时也不分解
氮气是一种有惰性的气体，一般不与其他物质发生反应，但在一定条件下，氮可与碱金属或碱土金属反应，相当于在氮分子的反键分子轨道上填充一个电子，金属的给电子能力越强，反应越易进行。如，在常温下锂可与氮直接反应，而钙需要加热到一定条件才能于氮气反应：
ⅢA和ⅣA族的一些元素在加热条件下能与氮气反应：
在高温、高压和催化剂存在的条件下，氮能与氢反应生成氨：
深冷分离法
深冷分离法工艺已经历了100多年的发展，先后经历了高压、高低压、中压和全低压流程等多种不同的工艺流程。随着现代空分工艺技术和设备的发展，高压、高低压、中压空分流程已基本被淘汰，能耗更低、生产更安全的全低压流程已成为大中型低温空分装置的。
全低压空分工艺根据氧氮产品压缩环节不同，又分为外压缩流程和内压缩流程。全低压外压缩流程生产出低压氧气或氮气，然后经外置的压缩机将产品气体压缩至所需压力供给用户。全低压内压缩流程将精馏产生的液态氧或液态氮在冷箱内通过液体泵加压至用户所需压力后汽化，并在主换热器内复热后供给用户。主要工艺过程为原料空气过滤、压缩、冷却、纯化、增压、膨胀、精馏、分离、复热、外供。
膜分离法
膜分离技术是基于薄膜对气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化的目的。气体中各种组分透过膜的速度不同，每种组分透过膜的速度与该气体的性质、膜的特性和膜两面的分压差有关。透过膜的气体组分不可能达到的纯度。气体分离膜通常可分为多孔材质和非多孔材质，它们无机物（多孔玻璃、陶瓷、金属、电子导电性固体和钯合金等）或有机高分子（微孔聚乙烯、多孔醋酸纤维、均质醋酸纤维、聚硅氧烷橡胶和聚碳酸脂）组成。
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