天气瓶
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天气瓶(chemical weather glass)又称风暴瓶(storm glass),是一种欧洲曾在18世纪~19世纪时用于天气预报的工具。密闭的玻璃容器中,装入数种化学物质组成的透明溶液。根据外界温度、天气的改变,瓶内会展现出不同型态的结晶,预报天气的变化。近代已不用作天气预报工具,而转变为一种趣味性质的科学装饰。亦可在内添加彩色颜料,增添不同氛围。
表现特征
19世纪的知名天气学家罗伯特·菲茨罗伊在他的航海纪录上,详细的记述了如何用天气瓶来预测天气:
- 瓶内液体清澈,将会是晴天
- 瓶内液体朦胧,将会是阴云密布,或许还会有降水
- 瓶内液体悬浮着大量小点,天气将变得潮湿,也许有大雾
- 朦胧的液体中悬浮着小的星状结晶,指示着将有雷暴天气
- 在冬天,若液体中悬浮着小的星状结晶,意味着要下雪了
- 液体中出现有大羽毛晶体,若是在温暖的时节,天气会转阴,而如果是在冬天,将会下雪。
- 瓶中有樟脑晶体,预示着要霜冻了
- 有丝状结晶漂浮在液体表面,意味着要起风了
原理
瓶内结晶的变化,主要是由于溶液内的樟脑在水与乙醇、硝酸钾、氯化铵混合溶液内的溶解度会随著温度变化。温度降低时,樟脑的结晶析出;温度升高时,樟脑的结晶溶解。温度高于31.4℃时,瓶内的结晶会完全溶解消失[1]。而温度与温度的变化速度,则会影响结晶的成长大小与结构,加上结晶成长行为的高度不可预测性,这些因素加总起来,使得瓶内晶体型态变化万千的美丽,让美也有温度。
现代研究证实,温度是影响瓶内樟脑结晶型态的最主要因素[2];与天气的对应关系几乎成随机分布,无预测价值[3][4]。利用X射线晶体学分析,确认了瓶内的结晶全为樟脑晶体。瓶内的硝酸钾、氯化铵在一般的气温范围内不会产生结晶。高水溶性的硝酸钾、氯化铵以及水,这三个高极性物质,可以提升系统内的樟脑结晶成核速度,使其对温度的变化更敏感,同时也能使结晶的型态成为松散美丽的羽毛状,更容易观察也更具有观赏价值。[1][5]
虽然现今的天气瓶已经很少用来预报天气,但天气瓶随著外界温度展现出多变的晶体变化,仍可作为一个美丽的装饰。也可做为有趣的科学教材,用天气瓶分享溶液的配制与结晶的行为。
制作方式(一个)
将硝酸钾以及氯化铵溶于水中,制成A溶液;樟脑溶于乙醇中制成B溶液,将AB溶液混和后密封于血清瓶中,之后用超音波震动(35°C)将其溶解后染色(也可用海绵花代替)分装即完成。
科普观察重点
- 减少配方中的乙醇量,可以提升结晶完全溶解的温度,使高温夏季也能观察到晶体。
- 减少配方中的樟脑量,能使结晶型态更容易出现羽毛状。
- 溶液的密度约为0.95g/cm3,而樟脑的密度为0.98g/cm3,两者相近。因此于溶液中上层形成的雪花状晶体会缓缓降落。如晶体较小,降落速度慢,看起来就会像是悬浮不动。
- 溶液的密度会随气温升高而降低,使液面升高。
- 上层空间的气体会含有较多低沸点的乙醇蒸气,而其冷凝时,会因密度最低而浮在最上层,如无扰动即会形成一层薄薄的高浓度乙醇溶液。在这层内形成的樟脑结晶会呈现片状,与下层的雪花状、羽毛状明显不同。
参考资料
- ^ 1.0 1.1 Mitsuya, T., Takahashi, K., & Nagashima, K. (2014). Cyclic growth and dissolution of camphor crystals in quinary, ternary, and binary solutions: A study on crystal behavior in storm glass. Journal of Crystal Growth, 401, 233-237.
- ^ Tanaka, Yasuko et al. "Pattern formation of crystals in storm glass" Journal of Crystal Growth 310 (2008): 2668–2672.
- ^ Can storm glasses predict the weather? (页面存档备份,存于互联网档案馆) from The Straight Dope
- ^ 天气预报瓶,真能预报天气? (页面存档备份,存于互联网档案馆),果壳网
- ^ 天气瓶:结晶好看,但与天气无关 (页面存档备份,存于互联网档案馆),孙亚飞,果壳网