标准状态的纯净的水蒸气存在吗？

张广宏++张江宁

【摘要】水可以处在不同的状态，其压强和温度应和实际数据吻合，满足水的三相图的数据要求。标准状态的水蒸气是不存在的。习题中涉及不正确的数据应该删除，或加以适当修改，使问题严谨而科学。

【关键词】水蒸气  标准状态  三相图

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）32-0173-01

一个问题：

（2004年理科综合能力测试（浙江卷）16题）若以 μ表示水的摩尔质量，υ为在标准状态下水蒸气的摩尔体积， ρ为在标准状态下水蒸气的密度，NA为阿伏加德罗常数，m、Δ分别表示每个水分子的质量和体积，下面是四个关系式：

①NA=  ②ρ=③m=④Δ=

其中

A.①和②都是正确的; B.①和③都是正确的;

C.②和④都是正确的; D.①和④都是正确的。

此题非常经典，已经成为许多老师和学生在3-3模块学习复习的必做题，据此为蓝本又衍生出许多类似的问题。

有人认为，标准状态下水可以是液态，那么上方自然会存在水蒸气。本话题根本无需讨论。其实原题中所谈论的对象附加了一个很重要的描述：“标准状态下水蒸气的摩尔体积”。气体的摩尔体积可以是纯净气体，也可以是混合气体。但是水蒸气的摩尔体积则明确其对象是纯净物质。为了更好地说清问题，笔者从三个层次来说明。（1）水蒸气的摩尔体积应该是指纯净的1摩尔水蒸气的体积;（2）水蒸气可以是饱和蒸汽也可以是不饱和蒸汽;（3）无论是否饱和，纯净的水蒸气的状态不可能处于标准状态。

（1）水蒸气的体积应该理解为纯净气体的体积，若水蒸气仅仅是某种混合气体的一个成分，根据道尔顿分压定律，混合气体的总压强应等于各个成分气体的分压强之和。但是不可以说成混合气体总体积是各个组成成分的气体的体积之和。所以我们有理由相信，题干中所谓水蒸气的体积是指纯净的水蒸气的体积，否则无法将水蒸气与干燥空气的体积相区分。有人认为混合气体的体积可以理解成每种成分的气体都达到原压强所对应的体积之和，说法虽然与物理事实不相吻合，但可以勉强接受。但此时的成分体积也是指纯净气体的体积，与笔者的说法是一致的。（2）为得到纯净的水蒸气，我们不妨设想取半杯水，上方抽成真空，足够长时间后，由于水的蒸发，水面上方将得到水蒸汽的饱和气体。得到我们需要的纯净的水蒸汽。取部分饱和水蒸气进行等温膨胀，可以得到不饱和水蒸气。即纯净的水蒸气，无论是否饱和，我们都可以得到。

（3）那么纯净水蒸气可以存在于标准状态下吗？所谓标准状态，是指同时满足温度为0℃，压强为1个标准大气压的这两个条件的状态。若将该气体视作为理想气体，则其摩尔体积应该为22.4L。为厘清问题，我们不妨结合水的三相图来研究。一般的水的三相图可以参见图1。其三相点附近的放大图像可以参见图2。在图1中，添加p=1.01×105Pa的辅助线，容易发现处于气相的水蒸气的温度范围，显然，此时气相的水蒸气的最小温度在至少100℃。100℃的外界压强即为此时水的饱和蒸汽压，这是1个标准大气压的沸腾条件，处于气相状态的水蒸气的压强在一个标准大气压时的温度大于100℃。即选定了压强为1个准大气压，水蒸气不肯能达到0℃。

同样的道理，在图2添加t=0℃的辅助线（读者可以自行添加），气相的水蒸气对应的压强有一个最大值，最大值约为610Pa，远小于一个标准大气压强。即选定了0℃，压强就不能达到1个标准大气压。

综合以上分析，水蒸气的压强、温度相互制约，不能同时满足标准状态的要求，即不存在所谓标准状态下的水蒸气。

题干表述的主要问题在于处于气态的物体，它的温度、压强需满足一定的关系才能保证其处于气态状态。当然物质的状态是液态或是固态，压强和温度也是存在限制。为实现命题者的考查意图，只需将题干中的有关水蒸气的限制条件减少，使其自洽即可，或者干脆将水换成氧气等可以存在于标准状态下的气体。可以参见以下修改。

改正后的参考题目：若以 μ表示水的摩尔质量，υ表示在某状态下水蒸气的摩尔体积， ρ表示在该状态下水蒸气的密度，NA为阿伏加德罗常数，m、Δ分别表示每个水分子的质量和体积，下面是四个关系式

①NA=  ②ρ=③m=④Δ=

其中

A.①和②都是正确的; B.①和③都是正确的;

C.②和④都是正确的;     D.①和④都是正确的。

基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，提出问题的解决方案，是科学思维的内在要求之一。笔者的分析也算是教师在物理教学活动中“科学态度与责任”的一种表现吧。最后笔者建议各位老师在选用该题时，简单加以修改，使之严谨、科学。