液体折射率随温度改变的研究

2014-12-24吴俊慷张建华

大学物理实验 2014年5期

吴俊慷，刘博，刘鹏，张建华

(浙江大学，浙江杭州 310027)

食用油作为人类生产生活中重要的液体，与人类的身体健康水平有着密切的关系，在任何时间与任何地域的人类社会生活中都具有十分重要的地位。然而，现在对食用油物理性质的研究还不够细致，例如对其折射率的大小、折射率与温度的关系、不同品种食用油的折射率随温度变化关系的区别与联系等等问题还没有进行实验的研究。

而且当今社会食品安全问题层出不穷，特别是与人们的生活联系最为紧密的食用油安全问题，地沟油、变质油横行，人们在购买的时候往往无法准确分辨是正品油还是变质油，从而在不知情的情况下深受其害。现在急需对正品食用油与变质油的折射率进行研究，分辨其不同，从而寻求鉴别食用油品质的简便易行的新方法。

根据透明液体折射率随温度改变的物理现象，本研究利用物理实验室与化学实验室拥有的一些专业仪器，通过准确的实验方法与耐心的试验，对过期1年的变质油以及市面上常见的正品油逐个进行分析，从而得出其折射率随温度改变的一般规律，得出变质油折射率随温度变化的规律与正品油折射率随温度变化规律的相同与不同，从而达到区分正品油与变质油的目的。并且得到相关油类在一定温度范围内的折射率。

1 实验

本实验采用精确灵敏的阿贝折射仪配合可控温的恒温水浴箱进行实验，阿贝折射仪是能测定透明、半透明液体或固体的折射率nD和平均色散nF－nC的仪器(其中以测透明液体为主)，仪器上接恒温器，可测定温度为0℃ ～70℃内的折射率nD。阿贝折射仪的折射率测量范围是1.300 0 ～1.700 0，精度为0.000 1，可见阿贝折射仪在其折射率范围及温度范围内是十分精确的［1-6］。

将阿贝折射仪与恒温水浴缸搭设好后便可以测量不同温度下液体折射率的了。此次实验的材料包括在超市购买的金龙鱼调和油、金龙鱼玉米油、福临门调和油以及保存完好的过期1年金龙鱼调和油。通过耐心细致的测量，我们最终获得了四种实验材料在15℃至60℃之间每1℃的折射率数据，精度为阿贝折射仪的精度，即0.000 1。为了增加数据的可信度，我们将每种材料重复测量3次，取其平均值，减小了实验的误差。

另外，为了与油类材料作对比，并且更加确定利用阿贝折射仪法测量液体折射率随温度改变情况的可靠性，我们同样的分析了去离子水在相同条件下，相同温度范围内的折射率变化情况，同样得到了去离子水的折射率数据。

2 结果与分析

(1)实验环境

室温:约10℃

压强:约 102.70 kPa

光源:589.3 nm

(2)去离子水折射率随温度变化情况去离子水折射率如图1所示。

图1 去离子水的折射率

可见，去离子水的折射率随温度的升高而减小，在40℃左右折射率为1.330 0，而从15℃至60℃的温度变化所引起的折射率改变非常小，仅约0.007 5，这充分体现了阿贝折射仪的高精度在本实验中的重要性。

另外，若对去离子水的折射率随温度变化曲线进行拟合，可得到如图2所示结果。

图2 去离子水的折射率变化的拟合曲线

由图2可知，去离子水的折射率随温度升高而减小不是线性的，而是随者温度的升高，折射率减小加剧。

以上对去离子水折射率的分析与已有知识匹配，证明了利用阿贝折射仪对液体折射率随温度改变进行研究的可靠性，同时其精度也得到保证。

(3)四种油折射率随温度变化的比较

四种油的折射率如图3所示。

从图3可以得知，这四种食用油折射率均随温度的升高而减小，这是因为温度的升高使得液体分子热运动加剧，分子间距增大，导致折射率减小。

图3 四种油的折射率

另外，这四种油折射率随温度升高而基本成线性减小，这是因为食用油基本是由有机大分子组成，温度升高使得分子热运动加剧的效果并不会随温度的升高而变得更加明显，也就是在高温时升高一定温度导致的折射率降低与低温时升高相同温度导致的折射率降低基本相同。用水的折射率随温度改变与之相比较，可见，虽然水的折射率也是随着温度的升高而减小，但是由于水分子是小分子，所以升温导致折射率减小的效果会随着温度的升高而加剧，即高温时升高一定温度导致的折射率减小大于低温时升高相同温度导致的折射率减小，即水的折射率在高温区随温度减小更迅速，表现在n～T图上即是曲线向下弯曲，不成线性减小规律。

同理，由得到的四种油折射率随温度升高而减小的曲线斜率基本相等可知，四种油的分子大小基本相同。参考其他资料可知，植物油基本上都是由不饱和脂肪酸与甘油化合而成，以此验证了其分子大小基本相等的结论。

最后，虽然这四种油折射率大小不同，但其折射率绝对值十分接近，若不是用高分辨率仪器(如阿贝折射仪)对其进行分析，几乎不能分辨其大小。总的来说，食用油类在温度从15℃升至60℃时，其折射率大约都是从1.475减小到1.457，改变量约为0.018。与去离子水相对比，食用油类的折射率大于去离子水的折射率(1.33左右)，且差值较为明显，这是因为组成食用油类的有机大分子比水分子大得多，并且油的分子间距也比水的分子间距小。另外，相同温度改变下，食用油类折射率的降低量也比去离子水折射率的降低量大得多，前者约为后者的两倍。这是由于油类的折射率基数比去离子水大，所以外界环境的改变使得油类折射率改变的绝对数值比去离子水折射率改变的绝对数值大。

(4)金龙鱼调和油与金龙鱼玉米油的折射率随温度变化的比较

金龙鱼调和油与金龙鱼玉米油的折射率如图4所示。

图4 金龙鱼调和油与金龙鱼玉米油的折射率

根据图4，金龙鱼调和油的折射率比金龙鱼玉米油的折射率大，这是因为金龙鱼调和油含大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油、花生油、芝麻油、亚麻籽油、红花籽油等八种原料，所以金龙鱼调和油所含成分比金龙鱼玉米油丰富，这能使金龙鱼调和油的分子间隙比金龙鱼玉米油小，导致金龙鱼调和油折射率高于金龙鱼玉米油。

定量地看，在这三组油类对照实验中，以未过期金龙鱼调和油为参照对象。其在15℃至60℃的温度范围内，其折射率从1.476 0降至1.457 9。而本组对照，金龙鱼玉米油的折射率变化为，从1.475 2降至1.457 4。可见金龙鱼调和油与金龙鱼玉米油的折射率相差非常小，以此三组对照实验来看，这两种材料的折射率相差是最小的。虽然相差非常小，但金龙鱼调和油的折射率在所测温度范围内一直大于金龙鱼玉米油的折射率，这也反映了本次实验的稳定性与可靠性。

(5)金龙鱼调和油与福临门调和油的折射率随温度变化的比较

金龙鱼调和油与福临门调和油的折射率如图5所示。

根据图5，金龙鱼调和油的折射率大于福临门调和油的折射率，福临门调和油含小麦胚芽油、米糠油、玉米胚芽油等成分，不如金龙鱼调和油丰富，故金龙鱼调和油的分子间距更大，折射率更大。

图5 金龙鱼调和油与福临门调和油的折射率

定量地看，本组对照福临门调和油的折射率从1.475 0降至1.457 0，折射率也是一直比金龙鱼调和油小。不过虽然两者皆为调和油，但其间差值比金龙鱼调和油与金龙鱼玉米油之间的差值大，这是因为金龙鱼食用油生产厂家与福临门食用油生产厂家所采用的生产工艺有所不同，导致其产品的性质有所差异。不过这样的差异十分不明显，没有大于0.001，只有在0.000 1的精度下才能分辨，所以并不存在太大的不同。

(6)金龙鱼调和油与过期金龙鱼调和油的折射率随温度变化的比较

金龙鱼调和油与过期金龙鱼调和油的折射率如图6所示。

图6 金龙鱼调和油与过期金龙鱼调和油的折射率

根据图6，金龙鱼调和油的折射率大于过期金龙鱼调和油，因为食用油经过了长时间的存放过程，油脂里的亚油酸与空气里的氧发生氧化，经过一系列的水解、过氧化等反应，会生成有特殊气味的小分子醛、酮、羧酸等氧化物、过氧化物以及其他分解产物，这个过程称作油脂的酸败。酸败后的油脂大分子大都氧化断裂，所以分子比未酸败的油小，折射率相应的比未酸败的油小。值得指出的是，油脂酸败后的产物对人有害，食用过后甚至会导致人中毒，所以必须时时警惕食用油的安全性。

而且，金龙鱼调和油与过期的金龙鱼调和油之间的折射率差值在三组对照实验中是最大的，过期油的折射率从1.475 0降至1.456 9。从数据上看虽然和福临门调和油的折射率数据相似，但福临门调和油与过期金龙鱼调和油之间不存在对照关系。过期金龙鱼调和油仅仅因为存放时间过长，折射率便减小了0.001，这也从一个方面反映了食用油发生油脂酸败后的严重变化。