標準狀態的純凈的水蒸氣存在嗎？

張廣宏++張江寧

【摘要】水可以處在不同的狀態，其壓強和溫度應和實際數據吻合，滿足水的三相圖的數據要求。標準狀態的水蒸氣是不存在的。習題中涉及不正確的數據應該刪除，或加以適當修改，使問題嚴謹而科學。

【關鍵詞】水蒸氣 ?標準狀態 ?三相圖

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）32-0173-01

一個問題：

（2004年理科綜合能力測試（浙江卷）16題）若以 μ表示水的摩爾質量，υ為在標準狀態下水蒸氣的摩爾體積， ρ為在標準狀態下水蒸氣的密度，NA為阿伏加德羅常數，m、Δ分別表示每個水分子的質量和體積，下面是四個關系式：

①NA= ?②ρ=③m=④Δ=

其中

A.①和②都是正確的; B.①和③都是正確的;

C.②和④都是正確的; D.①和④都是正確的。

此題非常經典，已經成為許多老師和學生在3-3模塊學習復習的必做題，據此為藍本又衍生出許多類似的問題。

有人認為，標準狀態下水可以是液態，那么上方自然會存在水蒸氣。本話題根本無需討論。其實原題中所談論的對象附加了一個很重要的描述：“標準狀態下水蒸氣的摩爾體積”。氣體的摩爾體積可以是純凈氣體，也可以是混合氣體。但是水蒸氣的摩爾體積則明確其對象是純凈物質。為了更好地說清問題，筆者從三個層次來說明。（1）水蒸氣的摩爾體積應該是指純凈的1摩爾水蒸氣的體積;（2）水蒸氣可以是飽和蒸汽也可以是不飽和蒸汽;（3）無論是否飽和，純凈的水蒸氣的狀態不可能處于標準狀態。

（1）水蒸氣的體積應該理解為純凈氣體的體積，若水蒸氣僅僅是某種混合氣體的一個成分，根據道爾頓分壓定律，混合氣體的總壓強應等于各個成分氣體的分壓強之和。但是不可以說成混合氣體總體積是各個組成成分的氣體的體積之和。所以我們有理由相信，題干中所謂水蒸氣的體積是指純凈的水蒸氣的體積，否則無法將水蒸氣與干燥空氣的體積相區分。有人認為混合氣體的體積可以理解成每種成分的氣體都達到原壓強所對應的體積之和，說法雖然與物理事實不相吻合，但可以勉強接受。但此時的成分體積也是指純凈氣體的體積，與筆者的說法是一致的。（2）為得到純凈的水蒸氣，我們不妨設想取半杯水，上方抽成真空，足夠長時間后，由于水的蒸發，水面上方將得到水蒸汽的飽和氣體。得到我們需要的純凈的水蒸汽。取部分飽和水蒸氣進行等溫膨脹，可以得到不飽和水蒸氣。即純凈的水蒸氣，無論是否飽和，我們都可以得到。

（3）那么純凈水蒸氣可以存在于標準狀態下嗎？所謂標準狀態，是指同時滿足溫度為0℃，壓強為1個標準大氣壓的這兩個條件的狀態。若將該氣體視作為理想氣體，則其摩爾體積應該為22.4L。為厘清問題，我們不妨結合水的三相圖來研究。一般的水的三相圖可以參見圖1。其三相點附近的放大圖像可以參見圖2。在圖1中，添加p=1.01×105Pa的輔助線，容易發現處于氣相的水蒸氣的溫度范圍，顯然，此時氣相的水蒸氣的最小溫度在至少100℃。100℃的外界壓強即為此時水的飽和蒸汽壓，這是1個標準大氣壓的沸騰條件，處于氣相狀態的水蒸氣的壓強在一個標準大氣壓時的溫度大于100℃。即選定了壓強為1個準大氣壓，水蒸氣不肯能達到0℃。

同樣的道理，在圖2添加t=0℃的輔助線（讀者可以自行添加），氣相的水蒸氣對應的壓強有一個最大值，最大值約為610Pa，遠小于一個標準大氣壓強。即選定了0℃，壓強就不能達到1個標準大氣壓。

綜合以上分析，水蒸氣的壓強、溫度相互制約，不能同時滿足標準狀態的要求，即不存在所謂標準狀態下的水蒸氣。

題干表述的主要問題在于處于氣態的物體，它的溫度、壓強需滿足一定的關系才能保證其處于氣態狀態。當然物質的狀態是液態或是固態，壓強和溫度也是存在限制。為實現命題者的考查意圖，只需將題干中的有關水蒸氣的限制條件減少，使其自洽即可，或者干脆將水換成氧氣等可以存在于標準狀態下的氣體。可以參見以下修改。

改正后的參考題目：若以 μ表示水的摩爾質量，υ表示在某狀態下水蒸氣的摩爾體積， ρ表示在該狀態下水蒸氣的密度，NA為阿伏加德羅常數，m、Δ分別表示每個水分子的質量和體積，下面是四個關系式

①NA= ?②ρ=③m=④Δ=

其中

A.①和②都是正確的; B.①和③都是正確的;

C.②和④都是正確的; ? ? D.①和④都是正確的。

基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，提出問題的解決方案，是科學思維的內在要求之一。筆者的分析也算是教師在物理教學活動中“科學態度與責任”的一種表現吧。最后筆者建議各位老師在選用該題時，簡單加以修改，使之嚴謹、科學。