改良式天氣瓶 / 許良榮

星期六 , 2, 五月 2015 Leave a comment

改良式天氣瓶

許良榮

國立台中教育大學科學教育與應用學系
stevehsu@ms3.ntcu.edu.tw

n  影片觀賞

本文介紹號稱可以預測氣候的「天氣瓶」的發展歷史、製作方法、實驗結果以及原理,本文也描述作者的「改良式天氣瓶」。

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影片網址:「科學遊戲實驗室」天氣瓶,http://www.ntcu.edu.tw/scigame/weather glass.wmv
(此影片需要先下載而後開啟。)

n  簡介

最近在網路廣為流傳一種可以預測氣候的「天氣瓶(storm glassweather glass)」,由瓶子中的結晶型態以及狀態,來預測天氣的陰晴冷熱。網路上也有販售天氣瓶的成品以及實驗DIY配料包(例如參考資料13)。

天氣瓶的歷史已有二百多年(參考資料4),十九世紀中葉,英國舊倫敦橋就有販售類似天氣瓶的「晴雨計(barometer)」。在發展過程中,天氣瓶曾被稱為storm glass(風暴瓶)、weather glasses(天氣瓶)、wind glasses(颳風瓶)……等等。根據McConnell2006)的考證,天氣瓶的創始者是一位法國的國會律師Pierre Legaux1748–1827)。在1779年時Legaux開始觀察天氣瓶,製作了「預報瓶(pronostic;法文)」觀察氣象,並預報了天氣好壞、下雪、颳大風、起霧等氣候。這些觀察結論發表於17804月。Legaux並沒有明確描述Pronostic的內容物,但是包含了揮發性液體以及被溶解的固體。有趣的是1780429日的大風暴在二天前就被預測了!

後來Legaux將預報瓶的配方告知並送一支給法國著名的氣象學家Louis Cotte,結果Cotte觀察了一年,在1788年指出結果並沒有看到Legaux所說的預報效果,只觀察到瓶內的結晶會隨著溫度增加與減少。1865年法國氣象學會副會長Eugène Grellois1811–77)則認為要製造天氣預測瓶根本就是浪費時間。

英國氣象學家Robert Fitzroy1805–65),在一些有名的航行(例如生物學家達爾文的小獵犬號)觀察與紀錄氣象變化,於1861年描述了如何用天氣瓶來預測天氣,因而常被誤認為是天氣瓶的創始者。Fitzroy的描述如下:

1.        如果天氣瓶中的液體澄清,是晴朗的好天氣。

2.        如果液體為雲狀(cloudy),那麼天氣多雲並可能降雨。

3.        如果液體中有點狀的固體,則天氣可能會潮濕或多霧。

4.        液體為雲狀並有星狀小結晶,表示會有雷雨。

5.        在冬天有陽光的時候,如果液體中有小星狀結晶,那麼表示將要下雪。

6.        如果有大片的結晶分佈,那麼可能為陰霾天氣(下雨或下雪)。

7.        瓶子底部有結晶,為低溫寒冷的天氣。

8.        瓶子頂部有絲狀結晶,將是颳風的天氣。

Fitzroy以上的描述,並未獲得明確的驗證,由相關資料顯示(參考資料57),天氣瓶並不具有預測天氣的能力。另一方面,目前天氣瓶的配方與McConnell2006)提及的早期配方並不相同,但是都包含溶解樟腦的酒精溶液以及溶解鹽類的水溶液。作者沒有搜尋到本實驗配方的來源,由發表的論文作者以及配方的比例(例如參考資料810),猜測可能是來自於日本學者的研究。

n  藥品與器材

硝酸鉀、氯化銨、蒸餾水、樟腦(Camphor)、乙醇(酒精)、錐形瓶、橡皮塞、溫度計

n  實驗步驟

依據參考資料1112的配方,天氣瓶的製作過程與現象如下:

1.        分別秤取2.5 g硝酸鉀(KNO3)以及2.5 g氯化銨(NH4Cl),加入33 mL蒸餾水中。

2.        秤取10 g樟腦(CamphorC10H16O),加入40 mL乙醇(酒精)中。

3.        將上述二步驟的溶液互相混合在錐形瓶中(會形成白色沉澱的溶液),然後將錐形瓶以橡皮塞密封。

4.        完成後,將混和溶液放置於35溫水中水浴(隔水加熱)並輕輕搖晃,白色沉澱會逐漸溶解,約20分鐘後形成澄清透明溶液。

注意:加熱時,由於已經用橡皮塞密封,請注意水溫溫度不要太高,以避免瓶內的酒精蒸氣壓太高而爆開

註:隔水加熱之後,如果無法成為澄清無色溶液,可能是樟腦的純度有問題,市售的樟腦常含有萘(Naphthalene),建議購買化學原料行的試藥級樟腦,純度比較有保障。

5.        在靜置冷卻過程中,天氣瓶會出現「下雪」的現象溶液中出現很多雪花狀結晶,紛紛下降到瓶底(見圖1之左圖),頗為美觀。大約一小時後,瓶中的沉澱相當多,而且溶液上方也有懸浮的結晶(見圖1之中圖)。繼續靜置一天,瓶子中的結晶大多沉降到底部,並有大略成樹枝狀的結晶,而上方則為澄清溶液(見圖1之右圖)。

註:圖1為室溫20℃時的實驗結果,如果室溫越高,結晶的量就會減少。室溫超過31℃,則不會產生結晶,而形成無色透明的溶液。

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1:雪花狀結晶(左),約一小時後的結晶現象(中),靜置一天後有樹枝狀的結晶(右)

完成上述實驗步驟之後,作者繼續觀察約四週(氣溫變化約1625,包括晴天和陰天以及寒流),結果發現天氣瓶並不能預測氣候,至少看不出晴天、陰天的變化!

由於天氣瓶中的沉澱量相當多,難以看出特定的結晶型態,於是作者將樟腦減少為8.5 g,實驗結果的結晶就相當漂亮(見圖2),都是成為樹枝狀。所謂的「漂亮」是指結晶形狀有明顯單一特徵,不是粉狀、霧狀、模糊或是混雜不同型態的結晶。

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2:減少樟腦用量,結晶都是樹枝狀,相當漂亮

由於不少文獻指出天氣瓶的變化主要是「溫度」的影響,作者將天氣瓶溶液裝進試管中(試管內徑約2.2公分),觀察結晶的高度變化。結果發現氣溫越低,結晶高度越高,例如16時高度約5.5公分(見圖3之左圖),18時為5.2公分(見圖3之中圖),20時則降低至4.9公分(見圖3之右圖)。但是放置越久,整體的結晶高度會有逐漸降低的現象(一週以後低於4.0公分),可能是地心引力使結晶更為緊實的因素所造成。Tanaka, Hagano, Kuno & Nagashima2008)的研究也發現溫度反覆上升與下降多次,天氣瓶的結晶高度有逐漸變小的現象。

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3:結晶高度:16時約5.5公分(左)18時約5.2公分(中)20時約4.9公分(右)

總結實驗結果以及文獻資料,天氣瓶並不能有效預測天氣,最多可以當為一個很粗略的溫度計,以及漂亮的裝飾品。不過在科學教學上,天氣瓶仍有其價值,例如可以當為探究結晶與溫度關係的學習主題、鑑賞結晶之美以及培養細心與耐心的科學態度。

n  原理與概念

樟腦(C10H16O為白色固體,分子結構如圖4所示,易溶於酒精而不易溶於水。Mjojo1979)的研究指出樟腦的結晶有三種相(phase),在室溫時為「六方晶系(hexagonal crystals)」,類似雪花的結晶。而硝酸鉀、氯化銨則易溶於水,並隨溫度而改變溶解度,溫度越高則溶解度越大。

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4:樟腦的分子結構式

Tanaka, Hagano, Kuno & Nagashima2008)的研究發現影響天氣瓶的結晶的主要因素是「溫度」。而該研究以X光繞射分析發現,天氣瓶內的結晶為樟腦的結晶,不是硝酸鉀或氯化銨的結晶。另一方面,硝酸鉀、氯化銨以及水,主要的作用為促使樟腦晶核的形成(nucleation),產生小的星狀、雪花狀結晶。換言之,形成小雪花(見圖1之左圖)是因為冷卻較快時,樟腦迅速產生較多的晶核而分別結晶。當溫度降低很慢沒有產生晶核時,則結晶以「擴散」的方式成長,使結晶變長而成為樹枝狀(見圖2)。

Mitsuya, Takahashi & Nagashima2014)的研究發現,天氣瓶中結晶的平衡溫度(結晶為零成長)是31.4。顯示在31.4以上,天氣瓶的樟腦結晶才有可能全部溶解為澄清透明溶液。

n  教學提示

在教學上,建議不要過於強調天氣瓶的預測功能,可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)以溫水隔水加熱,天氣瓶成為澄清無色溶液之後,分別放置於「溫水浴」(慢速的自然冷卻)、「室溫(沒有水浴,冷卻較快)」或是「冰水浴(快速冷卻)」,觀察結晶的變化與型態有何差別?(2)分組製作天氣瓶,並以拍照或素描紀錄結晶情形(同時記錄溫度變化),共同討論各組的結晶型態有何差別?(3)進行長時間的觀察以及紀錄,討論天氣瓶可以預測氣候的變化嗎?

n  安全注意及廢棄物處理

1.        本實驗使用純的樟腦,但很多市售的樟腦含有萘,對「蠶豆症」患者有危險性,請留意之!

2.        實驗後廢棄溶液,請依實驗室廢棄物規定,統一回收處理。

n  參考資料

1.        日本Tempo Drop天氣瓶,樂沛裝飾品,http://www.showyour.com.tw/goods.php?id=79

2.        北國結晶風暴球,賽先生科學玩具,http://www.mr-sai.com/web/product.php?id=JPY120589

3.        利泰化學原料儀器行,http://www.ritaichemical.com.tw/product-detail-897370.html

4.        McConnell, A. (2006). Will the true originator of the storm glass please own up. AMBIX, 53(1), 67–75.

5.          天氣瓶,維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/天氣瓶

6.        Can storm glasses predict the weather? The Straight Dope, http://www.straightdope.com/columns/read/2963/can-storm-glasses-predict-the-weather.

7.        流言揭秘:天氣預報瓶真能預報天氣?新浪新聞,http://news.sina.com.tw/article/20150123/13717907.html

8.        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.

9.        Tanaka, Y., Hagano, K., Kuno, T., & Nagashima, K. (2008). Pattern formation of crystals in storm glass. Journal of Crystal Growth, 310, 2668-2672.

10.    Mjojo, C. C. (1979). Order–disorder phenomena. Part 2. Order–disorder phase equilibria in D- and L-systems of camphor and related compounds. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 2, 75, 692-703.

11.    How to Make a Storm Glass To Predict the Weather, about, http://chemistry.about.com/od/chemistryhowtoguide/a/stormglass.htm.

12.    自製天氣瓶,emockyhttp://www.emocky.com/自製天氣瓶/

 

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