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液体窒素（LN₂ ）は、低温で液体状態にある窒素です。沸点は約-196 ℃（-321 °F、77K ）です。液体窒素は、液体空気の分留によって工業的に製造されます。無色透明で流動性のある液体で、粘度はアセトンの約半分（つまり、室温では水の約6分の1 ）です。液体窒素は冷却剤として広く使用されています。
N₂分子の二原子構造は液化後も保持される。N₂分子間の弱いファンデルワールス相互作用により、原子間引力はほとんど生じない。これが窒素の沸点が異常に低い原因である。[ 1 ]
液体窒素の温度は、真空ポンプで排気した真空チャンバーに入れることで、容易に凝固点である-210 °C (-346 °F; 63 K) まで下げることができます。[2] 液体窒素の冷却効率は、より高温の物体に接触するとすぐに沸騰し、その物体を窒素ガスの気泡の断熱層で覆ってしまうという事実によって制限されます。この現象はライデンフロスト効果として知られており、液体がその沸点よりもかなり高温の表面に接触したときに発生します。液体窒素のみではなく、液体と固体の窒素のスラッシュに物体を浸すことで、より速い冷却が得られます。 [ 2 ]
液体窒素は生体組織を急速に凍結させる極低温流体であるため、その取り扱いと保管には断熱が必要です。真空フラスコに保管および輸送することができ、液体の緩やかな沸騰によって温度は77 Kに一定に保たれます。真空フラスコのサイズと設計によって、保持時間は数時間から数週間まで異なります。加圧超断熱真空容器の開発により、液体窒素はより長期間保管および輸送できるようになり、損失は1日あたり2%以下に抑えられています。[ 3 ]
液体窒素は、加圧を必要としないため、コンパクトで輸送しやすい乾燥窒素ガス源です。さらに、水の凝固点よりもはるかに低い温度を維持できる能力、 1040 J ⋅kg −1 ⋅K −1の比熱、および200 kJ⋅kg −1の蒸発熱により、主に開放サイクル冷媒として、以下のような幅広い用途で非常に有用です。
液体窒素の料理への利用は、アグネス・マーシャル著の1890年のレシピ本『ファンシー・アイス』に記載されています。[ 13 ]近年では、レストランでアイスクリームなどの冷凍デザートの調理に利用されており、食品を冷却する速度が速いため、テーブルで瞬時に作ることができます。[ 13 ]また、冷却速度が速いため、従来の方法で冷却した場合よりも氷の結晶が小さくなり、デザートの食感が滑らかになります。[ 13 ]この技術は、シェフのヘストン・ブルメンタールが自身のレストラン「ザ・ファット・ダック」で、卵とベーコンのアイスクリームなどの冷凍料理を作るために使用しています。[ 13 ] [ 14 ]バーテンダーの中には、グラスを素早く冷やしたり、材料を凍らせたり、液体窒素カクテルの主役として加えたりするために液体窒素を使用する人もいます。[ 15 ]液体窒素は、飲み物に煙のような効果をもたらします。これは、液体窒素の微細な液滴が周囲の空気と接触し、自然に存在する蒸気を凝縮することによって起こります。[ 15 ]液体窒素を料理に使用する際は、細心の注意を払う必要があります。誤って液体を飲み込むと、体に深刻な、場合によっては致命的な損傷を与える可能性があります。
窒素は1883年4月15日にヤギェウォ大学でポーランドの物理学者ジグムント・ヴロブレフスキとカロル・オルシェフスキによって初めて液化された。[ 16 ]
窒素の液体と気体の膨張比は20 ℃（68 °F）で1:694であるため、密閉空間で液体窒素が気化すると、非常に大きな力が発生する可能性がある。2006年1月12日にテキサスA&M大学で発生した事故では、液体窒素タンクの圧力逃がし装置が故障し、その後密閉された。その結果、圧力が上昇し、タンクは壊滅的に破損した。爆発の力は、タンクを真上の天井を突き破り、真下の鉄筋コンクリート梁を粉砕し、実験室の壁を基礎から10 ～20cm （4～8インチ）吹き飛ばすのに十分であった。 [ 17 ] 2021年1月には、米国ジョージア州の鶏肉加工工場で液体窒素を輸送する配管が破裂し、6人が死亡、11人が負傷した。[ 18 ]
液体窒素は極めて低温であるため、取り扱いを誤ると、また液体窒素で冷却された物体を不用意に扱うと、凍傷を起こす可能性があります。そのため、取り扱いには専用の手袋を着用する必要があります。ただし、少量の液体窒素が皮膚にかかったり、流れ落ちたりしても、ライデンフロスト効果（蒸発するガスが、濡れた指で熱いものにほんの少し触れたときのように、ある程度熱を遮断する効果）により、すぐに火傷することはありません。しかし、液体窒素がどこかに溜まってしまうと、重度の火傷を負う可能性があります。
液体窒素が蒸発すると、空気中の酸素濃度が低下し、特に密閉空間では窒息剤として作用する可能性があります。窒素は無臭、無色、無味であり、感覚や事前の警告なしに窒息を引き起こす可能性があります。 [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
酸素センサーは、液体窒素を扱う際の安全対策として、密閉空間へのガス漏れを作業員に警告するために使用されることがある。[ 22 ]
液体窒素を含む容器は、空気中の酸素を凝縮することができる。このような容器内の液体は、窒素が蒸発するにつれて酸素濃度が高まり（沸点90 K、-183 °C、-298 °F）、有機物の激しい酸化を引き起こす可能性がある。[ 23 ]
液体窒素を摂取すると、接触した組織が凍結したり、液体が体温で温められると大量の気体窒素が発生したりするため、深刻な内臓損傷を引き起こす可能性があります。[ 24 ] 1997年、液体窒素を口に含んでライデンフロスト効果を実演していた物理学の学生が誤って液体窒素を飲み込み、ほぼ致命的な怪我を負いました。これは、医学文献で液体窒素摂取の最初の事例だったようです。[ 25 ] 2012年、イギリスの若い女性が液体窒素で作ったカクテルを摂取した後、胃を摘出しました。[ 26 ]
液体窒素は、液化空気の極低温蒸留、または圧力スイング吸着法を用いて空気から得られた純窒素の液化によって商業的に生産されます。空気圧縮機を使用してろ過された空気を高圧に圧縮し、高圧ガスを周囲温度まで冷却して低圧まで膨張させます。膨張する空気は大きく冷却され（ジュール・トムソン効果）、酸素、窒素、アルゴンは、さらなる膨張と蒸留の段階によって分離されます。この原理を使用すれば、小規模な液体窒素の生産は容易に実現できます。[ 27 ]液体窒素は、直接販売用、または製鉄などの工業プロセスで使用される液体酸素の製造の副産物として生産される場合があります。1日あたり数トンの製品を生産する液体空気プラントは1930年代に建設され始めましたが、第二次世界大戦後に非常に一般的になり、大規模な現代のプラントでは1日あたり3000トンの液体空気製品を生産できます。[ 28 ]
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