天氣瓶 教學 紀錄 原理 學習單

靜置一天後。我們可以觀察到,最大的差異在於,一開始若是全部透明(右),則結晶會較細,且都在下面。若一開始是混濁,會有分層,且結晶較粗。




實驗目的:製作可以預估聽器的美觀天氣瓶!!!探究結晶與溫度關係、觀察結晶、培養細心與耐心的科學態度。


藥品與器材:硝酸鉀、氯化銨、蒸餾水、樟腦(Camphor(蠶豆症患者不能做)、乙醇(酒精)。


操作過程
1. 製作所需溶液
A液:2.5 g 硝酸鉀(KNO3+ 2.5 g 氯化銨(NH4Cl) 加入33 ml蒸餾水中。
B液:秤取10 g 樟腦(C10H16OCamphor)加入40 ml乙醇中。
2. 混合AB兩液,並以溫水水浴,等待白色沉澱溶解。
   (20分鐘後形成澄清透明溶液。)

3. 到入瓶罐後,靜置冷卻。

實驗過程
1. 
A液配置時,學生有觀察道較冰冷的現象,為吸熱反應。
B液配置時,因為樟腦成結晶,會有結塊現象,因此需要花費較多時間。
 需特別注意,學生會不小心直接加入水,但此步驟要加酒精。
努力刮樟腦的學生!


左邊是B液,右邊是A液,可觀察出B為無色透明,A有點乳白色透明
2. 
將AB兩液體混合後,會有白色沉澱產生。溫水加熱直至透明。
我將學生分兩組做實驗,第一組容液共約250mL,10分鐘可變成無色透明。
第二組容液約500mL,加熱超過20 分鐘溶液依然混濁。


第一組學生,完全透明的溶液
第二組仍為混濁溶液
3. 倒入瓶罐後冷卻。靜置的過程當中,會有許多白白的小雪飄出。
     以第一組為例
    
靜置三分鐘,即可看到非常微小的白點,一開始以為是泡泡,但近看才知是結晶。


靜置一小時,可觀察到結晶越來越多且大顆!!!超美的


靜置兩小時,可以觀察到已經開始有白色的雪堆積在下層了!


近拍"雪"景

以第二組為例

一開始倒入,可發現有明顯的分層
靜置一小時候,也開始出現透明處(右邊和中間)。可發現一開倒入的分層,造成明顯的界線。
左邊是對照組,為一開始透明的,已經放了五小時。


靜置一天後。我們可以觀察到,最大的差異在於,一開始若是全部透明(右),則結晶會較細,且都在下面。若一開始是混濁,會有分層,且結晶較粗。




後續實驗:
根據參考資料,天氣瓶的變化主要是「溫度」的影響,因此後續實驗將安排:
1. 長期觀察,要求學生每天觀察天氣瓶,為期兩周,紀錄天氣與天氣瓶的關係。
2. 短期實驗,探討溫度對結晶的外觀與高度上的影響。


原理

一、天氣瓶發展簡史
        十九世紀中,英國舊倫敦橋就有販售類似天氣瓶的「晴雨計(barometer)」。1779年,Legaux以天氣瓶觀察氣象,並預報了天氣,並在1780年發表。比較著名的預測結果是1780年四月29日的大風暴在二天前就被預測!後來法國氣象學家Louis Cotte 晴天氣瓶觀察一年,指出並無天氣預報效果,只觀察到結晶量與溫度的關係。

        英國氣象學家 Robert Fitzroy,於1861年描述了如何用天氣瓶來預測天氣。

晴朗:液體澄清
多雲:液體為雲狀
潮濕或多霧:液體有點狀結晶
雷雨:液體為雲狀並有星狀小結晶
下雨或下雪:大片的結晶分佈
低溫寒冷:底部有結晶
颳風:瓶子頂部有絲狀結晶

目前天氣瓶的配方與早期配方並不完全相同,相同點在但是都含樟腦的酒精溶液與溶解鹽類的水溶液。


二、天氣瓶結晶的特性

      樟腦為白色固體,易溶於酒精而不易溶於水。在室溫時為樟腦結晶為「六方晶系」,類似雪花的結晶。
      硝酸鉀與氯化銨易溶於水,溫度越高則溶解度越大。
      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」。該研究發現,天氣瓶內的結晶為樟腦的結晶。硝酸鉀、氯化銨以及水的主要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。
      Mitsuya, Takahashi & Nagashima (2014)的研究發現,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。


參考資料:國立台中教育大學科學教育與應用學系_科學遊戲實驗室

參考學習單:黑熊老師的天氣瓶 

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