※器材：硝酸鉀、氯化銨、蒸餾水、樟腦（Camphor）、乙醇（酒精）、錐形瓶、橡皮塞

注意：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

最近在國內外廣為流傳一種可以預測氣候的「天氣瓶（storm glass or weather glass）」，由瓶子中的結晶型態以及狀態，顯示天氣的陰晴冷熱。網路上也有販售天氣瓶的成品以及實驗DIY配料包（如參考資料1～3）。

版主依據參考資料4、5的天氣瓶配方進行實驗，製作方法如下：。

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（C10H16O，Camphor）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。

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。

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（如圖一），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（如圖二）。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（如圖三）。

版主繼續觀察約四週（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，版主將樟腦減少為8.5g，實驗結果的結晶就相當漂亮（如圖四～六），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。

由於不少文獻指出天氣瓶的變化主要是「溫度」的影響，版主將天氣瓶溶液裝進試管中實驗（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（圖七），18℃時為5.2公分（圖八），20℃時則降低至4.9公分（圖九）。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。

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。

觀賞實驗過程（10.7M）

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）」。在發展歷史上，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，以「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年四月。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年四月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，因而常被誤認為是氣象瓶的創始者。Fitzroy的描述如下：

1.天氣瓶中的液體如果澄清，是晴朗的好天氣。

2.液體如果為雲狀（cloudy），天氣多雲並可能降雨。

3.如果液體中有點狀結晶，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，表示將要下雪。

6.如果有大片的結晶分佈，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（例如參考資料6～8），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。版主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10～12），猜測可能是來自於日本學者的研究。

二、天氣瓶結晶的特性

樟腦（C10H16O）為白色固體，分子結構如右圖，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。

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（如圖一）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（如圖四～六）。

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。

1.坊間販賣的樟腦的純度不一，判別的方法之一是：以35℃溫水隔水加熱時，天氣瓶無法成為澄清無色溶液，則使用的樟腦的純度就可能有問題。建議購買化學原料行的試藥級樟腦，純度比較有保障。

2.依網路的資料，天氣瓶的配方樟腦使用10.0g，但是版主的實驗結果發現結晶量太多，也比較不容易形成較大的結晶，建議樟腦使用8.5g即可。

3.將天氣瓶以溫水隔水加熱時，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！

4.為了方便觀察到樟腦的結晶型態與變化，建議使用寬廣的瓶子（例如錐形瓶），不要使用試管。但是如果目的是觀察結晶的高度隨著溫度的變化情形，則使用試管較佳。

5.在教學上，建議不要強調天氣瓶的預測能力，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，放置於「冰水浴」以及「室溫」中冷卻，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？

1.樂沛裝飾品：http://www.showyour.com.tw/goods.php?id=79

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

4.About：http://chemistry.about.com/od/chemistryhowtoguide/a/stormglass.htm

5.emocky：http://www.emocky.com/%E8%87%AA%E8%A3%BD%E5%A4%A9%E6%B0%A3%E7%93%B6/

6.維基百科：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A9%E6%B0%A3%E7%93%B6

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

8.新浪新聞：http://news.sina.com.tw/article/20150123/13717907.html

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

10.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.

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

12.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.