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天气瓶

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。

天气瓶

表现特征

 
天气瓶中的结晶

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着温度变化。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，但天气瓶随着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，之后用超声波震动(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. ^ 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.
  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? （页面存档备份，存于互联网档案馆） from The Straight Dope
  4. ^ 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
  5. ^ 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

外部链接

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