教學工作坊(天氣瓶製作)

臺中市國民教育輔導團自然與生活科技領域/國小/輔導小組

104學年第2學期第3次輔導員自然領域教學工作坊紀錄

時間：105年5月13日（星期五）13：30至15：30

地點：沙鹿區文光國小

講師：頭家國小李金生

記錄 : 建昌   攝影:建仁

出席人員：15人

主題：製作天氣瓶

內容：

一、天氣瓶的由來

    天氣預報瓶最早由英國海軍中將 Robert FitzRoy 發明，19 世紀時應用在歐洲的船艦上作為天氣觀測設備，生物學家達爾文的小獵犬號也是利用這個設備協助海上航行。根據 Robert FitzRoy 的航行記錄表示，如果整瓶液體呈現透明狀就代表天空將萬里無雲、如果結晶變成雲霧狀就表示多雲天氣、變成水滴狀的結晶代表天氣潮濕或有霧、結晶成星狀就代表將有雷陣雨。

    不過不論是當時的競爭對手或是後人都不斷的在挑戰這個發明，像是專門研究結晶的期刊中就提到影響天氣預報瓶結晶的唯一因素是溫度，和其他的原因無關，還有人說他做了非正式的實驗，覺得天氣預報瓶的預測成功機率根本就是隨機的。

    天氣瓶，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。

二、天氣瓶的原理

    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、氯化銨混和溶液內的溶解度會隨著溫度變化。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。而溫度的變化速度，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；與天氣的對應關係幾乎成隨機分布，無預測價值利用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。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。

三、天氣瓶製作方法與配方

1.將硝酸鉀及氯化銨以及樟腦粉(天然的最好)和水及酒精,依比例秤好，倒入瓶中。全程戴手套，避免患有蠶豆症的小朋友接觸到樟腦。

處理	硝酸鉀g	氯化銨g	樟腦粉g	水(cc)	酒精(cc)	成品體積(cc)
常見配方A	2.5	2.5	10	33	40	86
常見配方B	2.5	2.5	10	37	45	94.7
配方C(秋冬)	2.5	2.5	9	33	40	85
配方D(春夏)	2.5	2.5	11	33	40	87
配方C(秋冬)	4.3	4.3	15.5	56.8	68.8	150
配方D(春夏)	4.3	4.3	18.9	56.8	68.8	150
配方C(秋冬)	2.9	2.9	10.3	37.9	45.9	100
配方D(春夏)	2.9	2.9	12.6	37.9	45.9	100

2.將配好的藥品與溶液，混合均勻後,鬆開一點蓋子,置於60度c的熱水中，隔水加熱直至液體變澄清為止。

3.可於此時加入染劑，然後蓋緊瓶蓋。置於家中櫥櫃，不要去搖動它，觀察結晶情形。(約二個禮拜後會較為穩定)

4.若結晶情形不佳，可加入水，因樟腦與水不互溶，若結晶太多可加入酒精，增加樟腦溶解度。(慢慢加入水或酒精調整)

5.實驗結果，可以調整樟腦粉的量， 如配方D可以減少1公克的樟腦沙，嘗試看看。

四、天氣瓶的觀察重點

    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。