Штормгласс – метеостанция в колбе своими руками

XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Штормгласс – метеостанция в колбе своими руками

Девятловский Д.В. 1
1МБОУ "Лицей"
Носова Н.А. 1
1МБОУ "Лицей"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Часто для того, чтобы узнать погоду на следующий день, мы слушаем прогноз погоды. Из него мы узнаём о предполагаемой температуре, наличии осадков, скорости ветра и атмосферном давлении. Данные измерения метеорологи определяют используя различные приборы: термометр, барометр, флюгер, гигрометр. Предсказывать погоду можно и с помощью химического барометра, или «штормгласса».

Актуальность: каждый из нас, прежде чем выйти на улицу хочет знать, а что там за окном? Меня заинтересовало, а можно ли создать прибор своими руками для наблюдения за изменениями погоды? При поиске информации в различных источниках [1,3,4] найден материал о «штормглассе» приборе, который называют химический барометр.

Цель работы: изготовить прибор своими руками для наблюдения за изменениями погоды.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу по данной теме.

2. Изучить, кто первый разработал этот прибор.

3. Познакомиться с вариантами изготовления штормглассов и изготовить его.

4. Проанализировать работу штормгласса в домашних условиях.

Гипотеза: можно создать прибор своими руками в домашних и лабораторных условиях для наблюдения за изменениями погоды.

Предмет исследования: прибор для наблюдения за изменениями погоды

Объект исследования: изменения погоды

Методы работы:

Анкетирование.

Сбор и анализ информации.

Анализ и синтез экспериментальных данных.

Органолептический метод исследования (визуальный).

Глава I

1.1. Описание и история происхождения

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 этом 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 изготовил[2].

Штормгласс (Storm Glass) — это химический кристаллический прибор, состоящий из стеклянной колбы или ампулы, заполненных спиртовым раствором, в котором в определённых пропорциях растворены камфора, нашатырь и калийная селитра. Камфора – органическое соединение состава С10Н16О с молекулами циклического строения. Она образует бесцветные кристаллы, слипающиеся в комки и обладающие сильным характерным запахом. Камфора легко возгоняется, а плавится при 178оС. Камфора малорастворима в воде, но хорошо растворяется в органических растворителях и кислотах, таких как серная и соляная. Она содержится в эфирных маслах камфорного дерева, сибирской пихты, в базилике и полыни. В промышленности её извлекают из скипидара[1]. Из курса химии хорошо знакомы соли: хлорид аммония (нашатырь) и нитрат калия (калийная селитра), их химические свойства. Но эти вещества могут проявлять и необычные свойства в смеси с камфарой и этанолом: этим химическим штормглассом активно пользовался во время своих морских путешествий английский гидрограф и метеоролог, вице-адмирал Роберт Фицрой. Он очень подробно описал поведение штормгласса, это описание используется до сих пор: 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 заранее до такового. Принцип работы так и не получил полного научного объяснения, хотя существуют гипотезы, что на штормгласс влияет напряженность электрического и магнитного поля Земли, разряды молний[4].

Глава II

2.1 Рецепты изготовления штормгласса

Существует несколько рецептов изготовления прибора:
1. Первая рецептура наиболее популярна в рунете благодаря замечательному журналу «Химия и жизнь», опубликовавшему её в своё время:
«2 драхмы камфоры, 1,5 драхмы нитрата калия, 1 драхма хлорида аммония, 2,25 жидкой унции спирта «пруф». Смесь заливают в трубку длинной 12 дюймов и диаметром 3/4 дюйма»[4].

В пересчёте в метрические единицы измерения, если принять аптечную драхму получится:
7,78 г камфоры
5,83 г нитрата калия
3,89 г хлорида аммония
28,35 мл воды
37,54 мл 96% этилового спирта.
2.Относительно малораспространенный рецепт из рунета[3], первоисточник неизвестен:

10,0 г камфоры
2,5 г нитрата калия
2,5 г хлорида аммония
33,0 мл воды
40,0 мл этилового спирта.

3. Этот рецепт я использовал для изготовления своего прибора. Он был взят из книги[1], т.к. в нём порции веществ были меньше, чем в иных рецептах:

4,4 г камфоры
2,3 г нитрата натрия
2,3 г хлорида аммония
16,0 мл воды
19,5 мл спирта.

2.2 Методика наблюдения и изготовление прибора

Жидкость в колбе прозрачна— солнечно

Жидкость мутная— облачно, возможны осадки

Маленькие точки в жидкости— влажно, туман

Мутная жидкость с маленькими звёздочками— гроза

Крупные хлопья— облачность в умеренные сезоны, снегопад зимой

Иглистые кристаллы— заморозки

Нити у поверхности— ветрено[4]

Для изготовления штормгласса необходимо точно взвесить соли и камфору, измерить объём спирта и воды. Для взвешивания можно применить технохимические весы с разновесами, но лучше, цифровые.

Соли нужно растворить в воде, а камфару — в спирте; нагревать не нужно, так как и то, и другое хорошо и быстро растворяется при комнатной температуре. Затем залить раствор камфоры в спирте в емкость, приготовленную для штормгласса. Можно сразу растворить камфору в приготовленной емкости. Затем прилить раствор солей в воде и перемешать (можно просто закрыть пробкой и несколько раз перевернуть или встряхнуть). Некоторое время из раствора будет выделяться воздух, поэтому необходимо подождать, пока он весь выделится в виде пузырьков, а всплывшая в начале камфора начнёт оседать.

Теперь можно вытереть насухо внутреннюю верхнюю часть штормгласса (там, где пробка) и закупорить его. Важно, чтобы пробка была сухая внутри, иначе под действием внутреннего давления паров спирта и камфоры жидкость будет просачиваться наружу и не давать герметику закрепиться на поверхности. В качестве герметика можно использовать растопленный парафин. Штормгласс лучше работает, если он находится у окна, особенно в железобетонных домах, вероятно в этом случае штормгласс не так сильно экранируется[4]. 

Следует учесть при изготовлении прибора: пробки лучше использовать полиэтиленовые или стеклянные, т. к. от резиновых раствор желтеет. Обязательное условие — прибор должен находиться как можно ближе к окну, но не под прямыми солнечными лучами. Похоже кристаллизация раствора зависит от магнитных полей и в железобетонном доме в глубине комнаты прибор практически не работает[5].

2.3 Выделение камфоры из аптечного 10% спиртового раствора

Камфора очень плохо растворяется в воде (~ 0,12 г в 100 г воды), следовательно, если прибавить достаточное количество воды к камфарному спирту, то камфора почти полностью выделится в твёрдом виде.

Для этого в большой стакан с плотной крышкой выливаем несколько баночек аптечного камфорного спирта и будем тонкой струйкой несколькими порциями прибавлять воду до того момента, когда камфора всплывёт на поверхность, т. е. раствор станет тяжелее камфоры, после этого добавим ещё немного воды. Далее нужно дать камфоре 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 камфору следует перенести в небольшую ёмкость с плотной крышкой и периодически перемешивать массу, сливая выделившуюся воду. Когда вода перестанет выделяться, можно приступать к сушке. Камфора 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 камфора перестанет быть влажной на ощупь. 

2.4 Принцип работы прибора

Используя информацию из некоторых источников[5,6], и на основе своих наблюдений я пришёл к данному описанию принципа работы прибора. Основными «действующими факторами» погоды, которые могут повлиять на работу штормгласса являются: температура, давление, влажность, инсоляция (облучение поверхностей солнечным светом), а также, возможно, электромагнитное поле. Известно, что в старых метеостанциях штормглассы обычно представляли собой запаянные колбы, а значит, давление и влажность на их работу повлиять 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. Дело в том, что растворимость камфоры в смеси спирта и воды сильно зависит от температуры: достаточно резко подогреть раствор, и он станет прозрачным, достаточно резко 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. Таким образом, 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. 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. А когда холодает совсем быстро, не успевают вырастать даже снежинки, весь раствор разом мутнеет.

2.5 Результаты эксперимента

Дата

Фотография

Описание

Показания прибора

Погода на улице

05.02.2020г.

   

13.45

Начало работы прибора

Облачно, слабый снег

06.02.2020г.

   

08:30

Крупные хлопья

Облачно

Облачно

14:00

Крупные хлопья осели, жидкость преимущественно прозрачная

Преимущественно ясно

Преимущественно ясно

08.02.2020г.

   

9:50

Крупные хлопья всплыли вверх, на дне прибора иглистые кристаллы, посередине видны маленькие звёздочки

Облачно,

влажно, снегопад

Облачно, влажность воздуха составляет около 90%, снегопад начался только под вечер

10.02.2020г.

   

14:00

Крупные хлопья всплыли вверх, посередине видны маленькие звёздочки

Облачно,

влажно, снегопад

Облачно, влажность воздуха составляет около 85%, снегопад

11.02.2020г.

   

9:50

Пушистые иглистые кристаллы, крупные хлопья

Заморозки, облачно

Температура резко опустилась с -10о до -26о, преимущественно облачно

11.02.2021г.

   

10:30

Крупные хлопья

Иглистые кристаллы

Облачность в умеренные сезоны, снегопад зимой, заморозки

Температура была -290, облачность, временами шёл снег

13.02.2021г.

   

14:30

Жидкость в колбе прозрачна

Солнечно

Ясная погода

15.02.2021г.

   

9:30

Крупные хлопья

Иглистые кристаллы

Облачность в умеренные сезоны, снегопад зимой, заморозки

Частично облачно, температура -260

19.02.2021г.

   

13:00

Крупные хлопья, нити у поверхности

Ветрено,

облачность в умеренные сезоны, снегопад зимой

Ветрено (8 м/с), облачно, временами шёл снег

21.02.2021г.

   

8.30

Крупные хлопья, небольшие иглистые кристаллы

Облачность в умеренные сезоны, снегопад зимой, заморозки

Облачно, слабый снег, температура -210

Вывод: штормгласс достаточно точно спрогнозировал погоду на улице и прослужил уже больше года, что лишний раз доказывает, что прибор работает и им без проблем можно определять изменения погоды.

Заключение

Человек всегда хочет знать какая за окном погода. Предсказывать погоду можно разными способами: наблюдая за растениями, животными, используя различные приборы. Штормгласс ‒ это метеостанция в сосуде, которую я изготовил своими руками. Цель достигнута, гипотеза подтверждена. Прибор не представляет сложности в изготовлении и является простым в обращении.

Список литературы

«Барометр адмирала Фицроя (Штормгласс)»https://motionlamps.ru/blog/15-stormglass

«Загадка штормгласса — домашней метеостанции на элементной базе начала XIX века»

https://habr.com/ru/post/396417/

Занимательные задания и эффективные опыты по химии / Б. Д. Степин, Л. Ю. Аликберова. - М.: Дрофа, 2002. – 432 с.: ил. – (Познавательно! Занимательно!)

«История в кратце такова» http://slavyanskaya-kultura.ru/nepoznannoe/shtormglass.html

«Мастерская: Штормгласс - химический барометр» https://nepropadu.ru/blog/Masterskaia/4239.html

«Штормгласс. Кристаллический барометр своими руками» http://life.mosmetod.ru/index.php/item/shtormglass-kristallicheskij-barometr-svoimi-rukami

ПРИЛОЖЕНИЕ

Вопросы анкетирования:

1). Хотели бы вы знать, перед тем, как выйти из дома, какая погода на улице?

2). Знаете ли вы, что такое штормгласс и как сделать его своими руками?

3). Если нет, то хотели бы вы этому научиться?

Опрошено 26 человек

Просмотров работы: 34