天氣瓶
![本頁使用了標題或全文手工轉換](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cd/Zh_conversion_icon_m.svg/35px-Zh_conversion_icon_m.svg.png)
天氣瓶(chemical weather glass)又稱風暴瓶(storm glass),是一種歐洲曾在18世紀~19世紀時用於天氣預報的工具。密閉的玻璃容器中,裝入數種化學物質組成的透明溶液。根據外界溫度、天氣的改變,瓶內會展現出不同型態的結晶,預報天氣的變化。近代已不用作天氣預報工具,而轉變為一種趣味性質的科學裝飾。亦可在內添加彩色顏料,增添不同氛圍。
表現特徵
19世紀的知名天氣學家羅伯特·菲茨羅伊在他的航海紀錄上,詳細的記述了如何用天氣瓶來預測天氣:
- 瓶內液體清澈,將會是晴天
- 瓶內液體朦朧,將會是陰雲密佈,或許還會有降水
- 瓶內液體懸浮着大量小點,天氣將變得潮濕,也許有大霧
- 朦朧的液體中懸浮着小的星狀結晶,指示着將有雷暴天氣
- 在冬天,若液體中懸浮着小的星狀結晶,意味着要下雪了
- 液體中出現有大羽毛晶體,若是在溫暖的時節,天氣會轉陰,而如果是在冬天,將會下雪。
- 瓶中有樟腦晶體,預示着要霜凍了
- 有絲狀結晶漂浮在液體表面,意味着要起風了
原理
瓶內結晶的變化,主要是由於溶液內的樟腦在水與乙醇、硝酸鉀、氯化銨混合溶液內的溶解度會隨着溫度變化。溫度降低時,樟腦的結晶析出;溫度升高時,樟腦的結晶溶解。溫度高於31.4℃時,瓶內的結晶會完全溶解消失[1]。而溫度與溫度的變化速度,則會影響結晶的成長大小與結構,加上結晶成長行為的高度不可預測性,這些因素加總起來,使得瓶內晶體型態變化萬千的美麗,讓美也有溫度。
現代研究證實,溫度是影響瓶內樟腦結晶型態的最主要因素[2];與天氣的對應關係幾乎成隨機分佈,無預測價值[3][4]。利用X射線晶體學分析,確認了瓶內的結晶全為樟腦晶體。瓶內的硝酸鉀、氯化銨在一般的氣溫範圍內不會產生結晶。高水溶性的硝酸鉀、氯化銨以及水,這三個高極性物質,可以提升系統內的樟腦結晶成核速度,使其對溫度的變化更敏感,同時也能使結晶的型態成為鬆散美麗的羽毛狀,更容易觀察也更具有觀賞價值。[1][5]
雖然現今的天氣瓶已經很少用來預報天氣,但天氣瓶隨着外界溫度展現出多變的晶體變化,仍可作為一個美麗的裝飾。也可做為有趣的科學教材,用天氣瓶分享溶液的配製與結晶的行為。
製作方式(一個)
將硝酸鉀以及氯化銨溶於水中,製成A溶液;樟腦溶於乙醇中製成B溶液,將AB溶液混和後密封於血清瓶中,之後用超聲波震動(35°C)將其溶解後染色(也可用海綿花代替)分裝即完成。
科普觀察重點
- 減少配方中的乙醇量,可以提升結晶完全溶解的溫度,使高溫夏季也能觀察到晶體。
- 減少配方中的樟腦量,能使結晶型態更容易出現羽毛狀。
- 溶液的密度約為0.95g/cm3,而樟腦的密度為0.98g/cm3,兩者相近。因此於溶液中上層形成的雪花狀晶體會緩緩降落。如晶體較小,降落速度慢,看起來就會像是懸浮不動。
- 溶液的密度會隨氣溫升高而降低,使液面升高。
- 上層空間的氣體會含有較多低沸點的乙醇蒸氣,而其冷凝時,會因密度最低而浮在最上層,如無擾動即會形成一層薄薄的高濃度乙醇溶液。在這層內形成的樟腦結晶會呈現片狀,與下層的雪花狀、羽毛狀明顯不同。
參考資料
- ^ 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? (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) from The Straight Dope
- ^ 天氣預報瓶,真能預報天氣? (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館),果殼網
- ^ 天氣瓶:結晶好看,但與天氣無關 (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館),孫亞飛,果殼網