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水蒸氣

(水的氣體形式)

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水蒸氣,是水(H2O)的氣體形式。當水達到沸點時,水就變成水蒸氣。在海平面一標準大氣壓下,水的沸點為99.974°C或212°F或373.15K。當水在沸點以下時,水也可以緩慢地蒸發成水蒸氣。而在極低壓環境下(小於0.006大氣壓),冰會直接昇華變水蒸氣。水蒸氣可能會造成温室效應,是一種温室氣體。
中文名
水蒸氣
外文名
Water vapor
化學式
H2O
分子量
18.02
CAS登錄號
7732-18-5
EINECS登錄號
215-185-5
水溶性
水對各種物質都具有親和性
密    度
0.6 kg/m³((標準狀況下)) [1] 
外    觀
無色無味
閃    點
不可燃物質閃點無意義

水蒸氣氣體介紹

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水蒸氣,簡稱水汽或蒸汽,是水(H2O)的氣體形式。當水達到沸點時,水就變成水蒸氣。在海平面一標準大氣壓下,水的沸點為99.974°C或212°F或373.15K。當水在沸點以下時,水也可以緩慢地蒸發成水蒸氣。而在極低壓環境下(小於0.006大氣壓),冰會直接昇華變水蒸氣。水蒸氣可能會造成温室效應,是一種温室氣體。
此外,水蒸氣不是能源,也不是二次能源,更不是再生能源,水蒸氣只是水以氣態方式存在的一種表現。
氣態水是大氣很小但重要的組成部分。大約有99.99%是在對流層中。冷凝水蒸氣到液體或冰的階段主要由雲,雨,雪,和其他沉澱物完成,而所有這些也是最重要的天氣要素。
的形成,通過縮合周圍雲凝結核。若是在缺乏核的狀態,凝結只能發生在更低的温度上。在持續凝結或沉積後,雲滴或雪花形成,並促成它們達到了臨界質量。
平流層的水蒸氣平均停留時間是10天左右。水的補充、降水、蒸發,是海洋,湖泊,河流和植物蒸騰及其他生物和地質過程作用的結果。
測量水蒸氣濃度表示為特定的濕度或相對濕度。如果降水立即凝結,那麼在整個地球表面,年全球平均水蒸氣只會帶來約25毫米的降水。然而,年平均降水量約1米,這表明在水在空氣中快速週轉。
雖然火山排放的氣體差距很大,但是,水蒸氣始終是最常見的火山氣體,通常火山噴發有超過60%的排放量為水蒸氣。 [2] 

水蒸氣變化形態

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水蒸氣

空氣中的水蒸氣 空氣中的水蒸氣
水在常温下,會慢慢地變為水蒸氣飛散到空中,這種現象就叫蒸發。地上的水變成了水蒸氣, 這些水蒸氣在天上形成了雲;如果水蒸氣凝結成較大的水滴,水滴就會落下來形成雨或者雪。 [2] 

水蒸氣白氣

大量水蒸氣在空氣中凝結時,常呈現一團"白氣”狀,“白氣”常被誤認為水蒸氣。 使沸騰的水變成的水蒸氣在空氣中受冷,便可通過比較“白氣”和水蒸氣的顏色、形態、 發生部位的不同,可以知道“白氣”不是水蒸氣,而是水蒸氣凝結成的小水滴飄浮在空氣中。一般我們稱“白氣”為“霧”。 [2] 

水蒸氣基本組態

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水(H2O)是由兩種元素組成的無機物,在常温常壓下為無色無味的透明液體。在自然界,純水是非常罕見的,水通常多是酸、鹼、鹽等物質的溶液,習慣上仍然把這種水溶液稱為水。純水可以用鉑或石英器皿經過幾次蒸餾取得,當然,這也是相對意義上純水,不可能絕對沒有雜質。水是一種可以在液態、氣態和固態之間轉化的物質。固態的水稱為冰;氣態叫水蒸氣。水汽温度高於374.2℃時,氣態水便不能通過加壓轉化為液態水。
從熱物理學上講:水蒸氣:指特定空間的水全部以氣的形式存在,當然這必須滿足一定的物理條件。水蒸汽:指特定空間的水存在形態是氣或液二相,其中液相可以是“霧”狀分散形式存在,也可以是大量液滴聚集形式存在,當然這也必須滿足一定的物理條件。在實際應用中,接觸到的大多數指的是“水蒸汽”。 [2] 

水蒸氣蒸發現象

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只發生在液體表面的汽化過程。蒸發在任何温度下都能發生。蒸發過程吸收熱量,蒸發致冷。
影響蒸發快慢的因素:温度、濕度、液體的表面積、液體表面上的空氣流動等。
水由液態或固態轉變成氣態,逸入大氣中的過程稱為蒸發。指水在常温下接觸空氣,變為水蒸氣。而蒸發量是指在一定時段內,水分經蒸發而散佈到空中的量。通常用蒸發掉的水層厚度的毫米數表示,水面或土壤的水分蒸發量,分別用不同的蒸發器測定。一般温度越高、濕度越小、風速越大、氣壓越低、則蒸發量就越大;反之蒸發量就越小。土壤蒸發量和和水面蒸發量的測定,在農業生產和水文工作上非常重要。雨量稀少、地下水源及流入徑流水量不多的地區,如蒸發量很大,極易發生乾旱。而且在任何温度下都可以蒸發。從微觀上看,蒸發就是液體分子從液麪離去的過程。由於液體中的分子都在不停地作無規則運動,它們的平均動能的大小是跟液體本身的温度相適應的。由於分子的無規則運動和相互碰撞,在任何時刻總有一些分子具有比平均動能還大的動能。這些具有足夠大動能的分子,如處於液麪附近,其動能大於飛出時克服液體內分子間的引力所需的功時,這些分子就能脱離液麪而向外飛出,變成這種液體的汽,這就是蒸發現象。飛出去的分子在和其他分子碰撞後,有可能再回到液麪上或進入液體內部。如果飛出的分子多於飛回的,液體就在蒸發。在蒸發過程中,比平均動能大的分子飛出液麪,而留存液體內部的分子所具有的平均動能變小了。所以在蒸發過程中,如外界不給液體補充能量,液體的温度就會下降。 [2] 

水蒸氣蒸餾原理

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如果兩種液體物質彼此互相溶解的程度很小以至可以忽略不計,就可以視為是不互溶混合物。在含有幾種不互溶的揮發性物質混合物中,每一組分i在一定温度下的分壓pi等於在同一温度下的該化合物單獨存在時的蒸氣壓。而不是取決於混合物中各化合物的摩爾分數。這就是説該混合物的每一組分是獨立地蒸發的。這一性質與互溶液體的混合物(即溶液)完全不同,互溶液體中每一組分的分壓等於該化合物單獨存在時的蒸氣壓與它在溶液中的摩爾分數的乘積“Raoult定律”。
根據Dalton定律,與一種不互溶混合物液體對應的氣相總壓力p總等於各組成氣體分壓的總和,所以不互溶的揮發性物質的混合物總蒸氣壓如方程式所示:p= p1 + p2 + …… + pi
從上式可知任何温度下混合物的總蒸氣壓總是大於任一組分的蒸氣壓,因為它包括了混合物其它組分的蒸氣壓。由此可見,在相同外壓下,不互溶物質的混合物的沸點要比其中沸點最低組分的沸騰温度還要低。
表示水(bp 100°C)和溴代苯(bp 156°C)這二個不互溶混合物的蒸氣壓對温度的關係曲線。混合物約在95°C左右沸騰,即在該温度時總蒸氣壓等於大氣壓。正如理論上預見的,此温度低於這個混合物中沸點最低的組分-水的沸點。由於水蒸汽蒸餾可以在100°C或更低温度下進行蒸餾操作,對於那些熱穩定性較差和高温下要分解的化合物的分離,是一種有效的方法。
水蒸汽蒸餾中冷凝液的組成由所蒸餾的化合物的分子量以及在此蒸餾温度時它們的相應蒸氣壓決定。兩個不互溶組分A、B的混合物,假如把A和B的蒸氣當作理想氣體,就可應用理想氣體定律。
對於水和溴苯的混合物,在95°C時溴代苯和水的混合物蒸氣壓分別為p溴苯=16kpa和p=85.3kpa,分子相對質量分別為M溴苯=157、M=18,其餾出液的組成可從方程式獲得:W溴苯 : W=16×157÷(85.3×18)=1.635由此,在餾出液中,溴苯的質量分數為:1.635÷(1+1.635)×100%=62%。
結果,儘管在蒸餾温度時溴苯的蒸氣壓很小,但由於其相對分子質量大,按質量計在水蒸氣蒸餾液中溴苯要比水多。
鑑於通常有機化合物的分子量要比水大得多,所以一種化合物在接近100°C時有一適當的蒸氣壓,即使只有1kPa,用水蒸氣蒸餾亦可獲得良好效果(以質量對質量作比較)。甚至固體物質有時也可用水蒸氣蒸餾實現提取。 [3] 
參考資料
  • 1.    葉錦義,張主方,盧庚生主編. 高中數理化概念公式定理手冊[M]. 上海:上海遠東出版社, 2008.06.747頁
  • 2.    Keith Johnson 著.物理:上海科學技術出版社,2015
  • 3.    張欣,孫德軍,何丹鳳. 一種新型水蒸氣蒸餾裝置的設計及應用[J]. 化學教育,2007,(11):49-50.