天氣瓶

天氣瓶

天氣瓶,又稱風暴瓶,是一種歐洲曾在18世紀~19世紀時用於天氣預報工具。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。

表現特徵编辑

 
天氣瓶中的結晶

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體表面,意味着要起风了

原理编辑

瓶內結晶的變化,主要是由於溶液內的樟腦乙醇硝酸鉀氯化銨混和溶液內的溶解度會隨著溫度變化。溫度降低時,樟腦結晶析出;溫度升高時,樟腦結晶溶解。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,造成瓶內晶體型態萬千的美麗變化。

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布,無預測價值[3][4]。利用X射线晶体学分析,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,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。[5][6]

雖然不能用來預報天氣,但天氣瓶隨著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,學習溶液的配製與結晶的行為。

製作方式(一個)编辑

硝酸鉀以及氯化銨溶於中,樟腦溶於乙醇中,將兩種溶液混和後密封於血清瓶中,之後用超音波震動(35°C)將其溶解後染色(也可用海綿花代替)分裝即完成。

科普觀察重點编辑

  • 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。

參考資料编辑

  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.
  2. ^ Tanaka, Yasuko et al. "Pattern formation of crystals in storm glass" Journal of Crystal Growth 310 (2008): 2668–2672.
  3. ^ Can storm glasses predict the weather? from The Straight Dope
  4. ^ 天气预报瓶,真能预报天气?果壳网
  5. ^ 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.
  6. ^ 天气瓶:结晶好看,但与天气无关,孙亚飞,果殼網

外部連結编辑