臺灣化學教育

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
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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」。

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 glass或weather 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1～3）。

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McConnell（2006）的考證，天氣瓶的創始者是一位法國的國會律師Pierre Legaux（1748–1827）。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1780年4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1780年4月29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 Grellois（1811–77）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 Fitzroy（1805–65)，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5～7），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McConnell（2006）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8～10），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11、12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（Camphor，C₁₀H₁₆O），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。

   

圖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16～25℃，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。

  

圖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 & Nagashima（2008）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。

  

圖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。Mjojo（1979）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。

圖4：樟腦的分子結構式

Tanaka, Hagano, Kuno & Nagashima（2008）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 & Nagashima（2014）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，emocky，http://www.emocky.com/自製天氣瓶/。