Запаянная колба для предсказания погоды

Штормгласс. Кристаллический барометр своими руками

Штормгласс (Storm Glass) — это химический или кристаллический барометр, состоящий из стеклянной колбы или ампулы, заполненных спиртовым раствором, в котором в определённых пропорциях растворены камфара, нашатырь и калийная селитра. Камфара представляет собой эфирное масло экстракта из камфарного дерева. Из курса химии вам хорошо знакомы соли: хлорид аммония (нашатырь) и нитрат калия (калийная селитра). Вы хорошо знаете их химические свойства, но они могут проявлять и необычные свойства в смеси с камфарой и этанолом. Этим химическим барометром активно пользовался во время своих морских путешествий английский гидрограф и метеоролог, вице-адмирал Роберт Фицрой, который очень подробно описал поведение барометра; это описание используется до сих пор.

Барометр работает следующим образом. Колба герметически запаяна, но, тем не менее, в ней постоянно происходит рождение и исчезновение кристаллов. В зависимости от грядущих изменений погоды в жидкости образуются кристаллы различной формы. Штормгласс настолько чувствителен, что может предсказывать резкое изменение погоды за 10 минут до такового.

Методика наблюдения

Жидкость в колбе прозрачна— солнечно

Жидкость мутная— облачно, возможны осадки

Маленькие точки в жидкости— влажно, туман

Мутная жидкость с маленькими звёздочками— гроза

Маленькие звёздочки в жидкости солнечным зимним днём предвещают снег

Крупные хлопья— облачность в умеренные сезоны, снегопад зимой

Иглистые кристаллы— заморозки

Нити у поверхности— ветрено

Быстрое появление крупного кристалла в чистой колбе при ясной погоде — гроза

Рецепт изготовления штормгласса

Эта рецептура наиболее популярна благодаря замечательным журналам «Химия и жизнь» и «ЮТ для умелых рук»:

2 драхмы камфары, 1,5 драхмы нитрата калия, 1 драхма хлорида аммония, 2,25 жидкой унции спирта «пруф». Смесь заливают в трубку длиной 12 дюймов и диаметром 3/4 дюйма.

В пересчёте в метрические единицы измерения, если принять аптечную драхму:

• 7,78 г камфары
• 5,83 г нитрата калия
• 3,89 г хлорида аммония
• 28,35 мл воды
• 37,54 мл 96% этилового спирта ректификата.

Длина штормгласса 30,5 см, диаметр 1,9 см, но можно использовать и другие емкости: колбы, цилиндры и т.д.

Выделение камфары из аптечного 10% спиртового раствора

Камфара очень плохо растворяется в воде (

0,12 г в 100 г воды), следовательно, если прибавить достаточное количество воды к камфарному спирту, то камфара почти полностью выделится в твёрдом виде.

Для этого в большой стакан с плотной крышкой выльем несколько баночек аптечного камфарного спирта и будем тонкой струйкой несколькими порциями прибавлять воду до того момента, когда камфара всплывёт на поверхность, т. е. раствор станет тяжелее камфары, после этого добавим ещё немного воды. Далее нужно дать камфаре уплотниться и отстояться в течение часа, затем её можно отфильтровать или декантировать (слить), и хорошо отжать. В полученной массе ещё очень много воды, и последующая сушка сильно затянется. Поэтому камфару следует перенести в небольшую ёмкость с плотной крышкой и периодически перемешивать массу, сливая выделившуюся воду. Когда вода перестанет выделяться, можно приступать к сушке. Камфара очень летуча и сушить её, а затем хранить можно только в герметичной таре. Сушить нужно над прокалённым хлоридом кальция, прокалённым силикагелем или любым другим осушителем. Для этого маленький стаканчик с влажной камфарой помещаем в больший стакан с насыпанным или налитым на дно осушителем. Периодически (пару раз в сутки) большой стакан нужно открывать для перемешивания и оценки влажности камфары. Делаем некое подобие эксикатора. Сушим до тех пор, пока камфара перестанет быть влажной на ощупь.

Барометр лучше работает, если он находится у окна, особенно в железобетонных домах, вероятно в этом случае барометр не так сильно экранируется. Принцип работы так и не получил полного научного объяснения. Поэтому вы можете поэкспериментировать с рецептурой штормгласса и, возможно, в дальнейшем все-таки найдете научное объяснение необычного поведения компонентов смеси. Желаем вам увлекательного исследования.

1. Новошинский И.И., Новошинская Н.С.. Химия: учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений / И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская. — М.: ООО «Русское слово — учебник», 2013. — 296 с.: ил. — (ФГОС. Инновационная школа).

2. Журнал «Химия и жизнь», 1979, № 6

3. Журнал «Юный техник — для умелых рук», 1989-01

Источник

«Штормгласс»: Как потомок Карла II изобрёл удивительный предсказатель погоды в склянке

В конце 1970-х годов в одном из номеров журнала «Химия и жизнь» вышла статья об одном очень необычном приборе «Штормглассе», способном предсказывать погоду.

Даже в наше время могучих стальных кораблей прогноз погоды чрезвычайно важен для мореплавателей. Что уж говорить о кораблях прошлого, которые нередко шли на дно из-за шторма. Понятное дело, за относительно точное предсказание погодных условий многие шкиперы были готовы даже продать свою бессмертную душу, не то что выложить круглую сумму в золотых монетах. Однако ртутный барометр на кораблях было практически невозможно использовать из-за постоянной качки, а первый барометр-анероид был изобретен лишь в 1847 году. А до той поры каждый капитан выкручивался как мог.

В 1818 году Роберт Фицрой (между прочим, прямой потомок короля Карла II, пусть и по внебрачной линии) начал учебу в Портсмутском Королевском военно-морском училище. Весьма благородное происхождение практически гарантировало успешную карьеру — так и случилось, Фицрой дослужился до вице-адмирала.

После окончания училища Роберт послужил некоторое время мичманом на кораблях «Хайнд» и «Фетида», затем лейтенантом на флагмане адмирала Отуэйя «Ганг». А уже в 1828 году Роберт Фицрой (всего 23 лет от роду) получил под свое начало знаменитый десятипушечный бриг «Бигль», который сделал себе имя благодаря участию в научных экспедициях, в том числе и с Чарльзом Дарвиным. Причем Дарвина в научное плавание пригласил именно Фицрой.

Будучи капитаном корабля, Фицрой оставался гораздо более моряком, нежели ученым. А как моряка его интересовала предстоящая погода. Для ее прогнозирования молодой человек начал использовать «прибор» под названием «штормгласс» Это комбинация из двух голландских слов, первое из них и переводить и не нужно, а «glass» означает «стекло».

Сам «прибор» (это слово приходится брать в кавычки, так как ни его механизм действия, ни эффективность до сих пор не объяснены) представлял собой герметически запечатанную стеклянную колбу, в которой находился раствор спирта в дистиллированной воде (соответственно 40 и 33 мл) с растворенной в нем 10 гр камфоры. Вспомогательными веществами в растворе были по 2,5 г хлорида аммония и нитрата калия.

Получившийся раствор является метастабильным — в нем происходит обратимая кристаллизация, причем кристаллы появляются в зависимости от комбинации внешних условий. В интернете можно встретить немало утверждений того, что именно Роберт Фицрой является изобретателем штормгласса, но реальных доказательств этому нет. Скорее всего, что штормгласс является творением какого-либо алхимика (а они сделали немало открытий в химии), впоследствии разочаровавшегося в своем способе создания философского камня.

Главной заслугой Роберта Фицроя видится то, что, не понимая механизм действия штормгласса, он решил систематизировать свои наблюдения за кристаллами внутри «прибора» в зависимости от погоды. Здесь можно сделать небольшое замечание — многие люди слабо представляют себе механизм действия ртутных термометров (а он не настолько прост, как кажется, на первый взгляд), но это совершенно не мешает в зависимости от показаний градусника с успехом лечить своих чад и домочадцев.

По результатам своих наблюдений за штормглассом Роберт Фицрой составил таблицу погоды в зависимости от прозрачности жидкости в колбе и наличия и формы кристаллов (или их отсутствия).

На видео видно, как появляются и исчезают кристаллы в штормглассе при перемене перемене погоды:

Используя массив своих наблюдений, моряк научился довольно точно предсказывать погоду, так что спустя годы мужчина возглавил метеорологический департамент Великобритании и опубликовал произведение «Книга о погоде», где понятным языком систематизировал свои наблюдения за штормглассом.

К сожалению, поставленные научные опыты не смогли подтвердить выводы Роберта Фицроя и обнаружить зависимость формирования кристаллов внутри штормгласса от внешних погодных условий. Правда можно предположить, что эта зависимость есть, просто либо силовые поля ее вызывающие не исследовались в проводимых экспериментах, либо они в принципе неизвестны современной науке. А штормгласс, негласно получивший имя британского вице-адмирала, сейчас превратился из прибора для предсказания погоды в забавную , которую можно без проблем приобрести в интернет-магазинах

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Где-то во второй половине 1820-х годов британский морской офицер Роберт Фицрой разработал и описал необычный метеорологический прибор, известный как штормгласс. Эффективность его не доказана и по сей день, но купить его можно.

История вкратце такова.

Роберт Фицрой, аристократ, морской офицер, выпускник Королевского военно-морского училища в Портсмуте в октябре 1828 года был назначен капитаном знаменитого судна «Бигль» — исследовательского барка, принявшего участие в четырёх гидрографических экспедициях. В третьей экспедиции принимал участие сам Чарльз Дарвин — исследования, сделанные в ходе этого плавания, легли в основу многих научных работ великого учёного.

Фицрой учёным не был — он был в первую очередь моряком, причём на момент вступления в должность очень юным, ему исполнилось всего 23 года. При это он показал себя блестящим капитаном и очень инициативным человеком — собственно, приглашение на борт натуралиста Дарвина произошло именно с лёгкой руки Фицроя (это была кругосветная экспедиция 1831−1836 годов).

Живо интересуясь природными явлениями, Фицрой, поступив на «Бигль», задался идеей построить предсказывающий изменения морской погоды прибор — достаточно компактный, чтобы работать на корабле. И он его построил.

Штормгласс Фицроя представляет собой герметично запаянную стеклянную колбу, внутри которой находится смесь различных химических компонентов: дистиллированной воды (33 мл), этанола (40 мл), нитрата калия (2,5 г), хлорида аммония (2,5 г) и камфоры (10 г). Эта смесь по наблюдениям Фицроя оказалась крайне чувствительна к изменениям температуры, влажности, давления. Свои наблюдения за содержимом сосуда он описал в одной из последующих работ (впоследствии Фицрой стал главой Департамента метеорологии и в 1862 году опубликовал знаменитейшую «Книгу о погоде»).

По наблюдениям Фицроя поведения смеси выглядело следующим образом:

— она была чистой, прозрачной и жидкой при светлой, солнечной, штилевой погоде;
— она мутнела, если погода была облачной;
— в ней образовывались отдельные точки помутнения, если за бортом был туман;
— жидкость была мутной и с отдельными точками застывания перед грозой;
— если точки застывания были в прозрачной жидкости, это предвещало снег;
— крупные кристаллические хлопья — к снегопаду;
— иглистые кристаллы предвещали заморозки;
— мутные нити у дна обещали ветреный день.

До сих пор не доказана ни правота Фицроя, ни его заблуждение. Некоторые характеристики штормгласса подтверждаются современными исследованиями, некоторые — нет. Штормгласс уже давно не нужен, поскольку погоду мы научились предсказывать более точными устройствами, и этот необычный прибор окончательно стал историческим артефактом. Независимо от того, на какие конкретно погодные условия реагирует состав фицроевое смеси, выглядит это со стороны очень красиво.

А купить такой прибор можно например тут

Источник

Загадка штормгласса — домашней метеостанции на элементной базе начала XIX века

Статьи про изготовление и использование домашних метеостанций публикуют на Гиктаймс регулярно. Я решил не отставать от тренда и тоже написать рассказ о метеостанции, которая висит у меня за окном — о штормглассе.

Если кратко, то штормгласс — это колба с раствором камфоры, использовавшаяся для наблюдения за погодой в XIX веке. Информации в сети о нём немало — но описания принципа работы обычно сводятся к эзотерическому «не получил полного научного объяснения». Несколько лет назад я прочитал о штормглассе, заинтересовался, сделал себе такой, несколько дней экспериментировал дома, потом повесил склянку за окно и уже второй год наблюдаю за её поведением в реальных условиях.

Такие штормглассы продают на ebay — кристаллы выглядят красиво, но по их виду я могу сказать, что штормгласс использовался вхолостую, и погоду сейчас не показывает.

Объяснение принципа работы оказалось невероятно простым, а сам прибор — достаточно чувствительным, чтобы я мог, глянув на него, понять, как нужно одеваться, выходя из дома.

Штормгласс известен во многом благодаря капитану Фицрою, тому самому, который возил Дарвина в кругосветное путешествие. В двух словах, штормгласс — это раствор камфоры в разбавленном спирте, с добавками неорганических солей. Раствор нестабилен, и при изменении погодных условий из него выпадают кристаллы камфоры, по количеству и форме которых можно судить о погоде.
Внятных объяснений принципа работы штормгласса я в интернете не нашёл, но, в целом, было понятно, что основные «действующие факторы» погоды — температура, давление, влажность, инсоляция, а также, возможно, что-нибудь вроде электромагнитного поля. Известно, что в старых метеостанциях штормглассы обычно представляли собой запаянные колбы, а значит, давление и влажность они измерять не могли. В видимой части спектра раствор штормгласса прозрачен, а ультрафиолет стеклянная колба пропускает плохо, поэтому реакция на солнечный свет тоже маловероятна. Исключить влияние на раствор электромагнитных полей или неизвестных науке факторов было сложнее — но мне, всё же, казалось, наиболее вероятным, что штормгласс реагирует на колебания температуры.

Мой штормгласс показывает, что сейчас прохладно и постепенно холодает.

Обо всём этом я размышлял ещё до изготовления своей склянки. Первые же эксперименты показали мою правоту. Дело в том, что растворимость камфоры в смеси спирта и воды сильно зависит от температуры: достаточно чуть подогреть раствор, и он станет прозрачным, достаточно охладить его — и вся колба наполнится белыми хлопьями камфоры. Заодно стал понятен и принцип, по которому подбирался состав раствора: соотношение количеств спирта и воды взято такое, чтобы в тёплую погоду большая часть камфоры растворялась, а в холодную — выпадала в осадок; тогда при изменении температуры количество хлопьев камфоры будет изменяться наиболее заметно. Минеральные же соли нужны для того, чтобы повысить плотность раствора; благодаря добавлению этих солей плотность раствора оказывается примерно такой же, что и плотность выпавших кристаллов камфоры — то есть растущие в толще раствора кристаллы не будут тонуть, и их будет видно лучше всего.

Это были общие слова. Теперь немного наблюдений:

• Самый очевидный факт: количество кристаллической камфоры на дне склянки зависит от температуры. Чем холоднее, тем слой толще. При этом со временем выпавший слой уплотняется, поэтому плотный слой на дне показывает примерную температуру последних недель, а по изменению толщины рыхлого свежего слоя легко оценить, насколько сегодня холоднее этого среднего уровня.
• При медленном похолодании на дне склянки начинают расти игловидные кристаллы. При потеплении, наоборот, иглы кристаллов растворяются, и придонный слой выглядит как рыхлый тающий снег.
  
  Медленное похолодание: прозрачный раствор и иглы камфоры. Чем игл меньше и чем они длиннее — тем медленнее опускалась температура. Помните первую фотографию штормгласса серийного изготовления? Там иглы очень длинные и красивые — видимо, штормгласс охлаждали очень медленно и осторожно — возможно, даже в термостате.

При более быстром похолодании кристаллы камфоры выпадают в осадок не только на дне, но и по всему объёму склянки — они выглядят как парящие в толще снежинки.

Умеренно быстрое холодание — идёт снег.

А когда холодает совсем быстро, не успевают вырастать даже снежинки, весь раствор разом мутнеет и становится похожим на Швепс.
Швепс. Раствор в штормглассе мутный — так он выглядит при резком похолодании; на дне лежит желтоватый слой слежавшейся камфоры; слой этот тонкий, то есть сейчас достаточно тепло.

В комментариях возник вопрос: «как размер кристаллов связан со скоростью изменения температуры?»

то частицы всегда предпочитают встраиваться в крупные кристаллы (так же, как маленькие капельки воды предпочитают собираться в большие — так энергия поверхностного натяжения меньше). Если температура падает медленно, то молекулы успевают найти большие кристаллы и осесть на них. Если температура падает быстро, то у молекул нет времени найти большие кристаллы, и они осаждаются на первые попавшиеся — и получается много мелких кристалликов на дне. А если холодает совсем уж резко, то молекулы вообще не ищут кристаллы, а сливаются друг с другом, и возникает взвесь кристалликов камфоры в растворе.

Кстати, если потом долго ждать, то со временем молекулы могут перегруппироваться в крупные кристаллы — с этим связан рост кристаллов сахара в варенье, описанный в комментариях, и то, что весенний снег состоит не из снежинок, а из крупных кусочков льда.

Конечно, для полноценного предсказания погоды одного наблюдения за динамикой температуры недостаточно — собственно, с этой задачей не очень хорошо справляются даже современные метеорологи, имеющие мощнейшие компьютеры и сеть метеорологических станций, опутавшую всю планету. Но в условиях начала XIX века, когда даже банальнейший термограф казался высокотехнологичным прибором — и в условиях моря, когда термограф нужно было как-то защищать от корабельной качки, — функции штормгласса оказывались востребованными.

Теперь немного про изготовление штормгласса:
За основу я взял рецепт из Википедии:

10 г камфоры (D-изомера или натуральной)
2,5 г калийной селитры
2,5 г нашатыря
33 мл дистиллированной воды
40 мл спирта.

Калийная селитра и нашатырь — это нитрат калия и хлорид аммония соответственно, их можно купить в хозяйственном магазине. 10% раствор камфоры продаётся в аптеке.
Концентрация камфоры не слишком принципиальна — я читал про штормглассы, сделанные напрямую из аптечного 10% раствора. Но, если вы (как и я) не хотите слишком далеко отходить от рецепта, добавьте в аптечный раствор камфоры воду — камфора немедленно выпадет в осадок в виде крупных плотных хлопьев, которые легко отфильтровать (например, нетканой салфеткой), подсушить (учтите, что камфора улетучивается при сушке, и брать её надо с запасом) и растворить в спирте заново, до нужной концентрации.
Если соли вы брали в хозяйственном магазине, они, скорее всего, грязные, и их стоит перекристаллизовать. Это тоже просто: берёте кипящую воду (лучше дистиллированную, из магазина автозапчастей), засыпаете в неё столько соли, чтобы она перестала растворяться, отстаиваете раствор (а лучше фильтруете его через ту же нетканую салфетку), охлаждаете его до комнатной температуры, собираете выпавший на дно осадок солей и тоже высушиваете его.
Теперь смешиваете компоненты в нужной пропорции, и получаете условно-рабочий штормгласс.

Ещё один штормгласс с красивыми кристаллами. Если ваш будет стоять в комнате, а не висеть за окном, то в нём может вырасти что-то похожее.

«Условно» — потому, что его стоит ещё и откалибровать под вашу погоду. Это немного занудно, но тоже несложно: возьмите получившуюся смесь, медленно нагрейте её до той температуры, которую вы хотите сделать максимальной рабочей температурой — например, до такой, какую в умеренно жаркий летний день показывает висящий за вашим окном термометр. Теперь добейтесь того, чтобы на дне ёмкости со смесью осталось совсем немного камфоры: если камфора растворилась вся, при постоянном перемешивании добавляйте к раствору по каплям воду — пока на дне не появится немного осадка; учтите, что осадок будет выпадать с каждой каплей, но до какого-то момента он будет растворяться при перемешивании. Если осадка слишком много — наоборот, добавляйте спирт.
Наверное, можно также откалибровать раствор и по плотности, но небольшое отклонение плотности от требуемой мало влияет на работу штормгласса, поэтому я обошёлся без этого этапа.
Всё! Раствор готов! Залейте его в склянку с притёртой пробкой (оставьте в склянке немного воздуха, чтобы раствор мог расширяться при нагревании), запечатайте герметиком (рекомендую взять силиконовый — раствор достаточно активен, и вакуумную смазку, например, растворил у меня за год, ещё и пожелтел, в результате), повесьте за окном рядом с термометром — и следите за растущими и растворяющимися кристаллами.

Источник