液體折射率隨溫度改變的研究

吳俊慷，劉 博，劉 鵬，張建華

(浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027)

食用油作為人類生產(chǎn)生活中重要的液體，與人類的身體健康水平有著密切的關(guān)系，在任何時(shí)間與任何地域的人類社會(huì)生活中都具有十分重要的地位。然而，現(xiàn)在對(duì)食用油物理性質(zhì)的研究還不夠細(xì)致，例如對(duì)其折射率的大小、折射率與溫度的關(guān)系、不同品種食用油的折射率隨溫度變化關(guān)系的區(qū)別與聯(lián)系等等問題還沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究。

而且當(dāng)今社會(huì)食品安全問題層出不窮，特別是與人們的生活聯(lián)系最為緊密的食用油安全問題，地溝油、變質(zhì)油橫行，人們?cè)谫?gòu)買的時(shí)候往往無(wú)法準(zhǔn)確分辨是正品油還是變質(zhì)油，從而在不知情的情況下深受其害?，F(xiàn)在急需對(duì)正品食用油與變質(zhì)油的折射率進(jìn)行研究，分辨其不同，從而尋求鑒別食用油品質(zhì)的簡(jiǎn)便易行的新方法。

根據(jù)透明液體折射率隨溫度改變的物理現(xiàn)象，本研究利用物理實(shí)驗(yàn)室與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室擁有的一些專業(yè)儀器，通過準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方法與耐心的試驗(yàn)，對(duì)過期1年的變質(zhì)油以及市面上常見的正品油逐個(gè)進(jìn)行分析，從而得出其折射率隨溫度改變的一般規(guī)律，得出變質(zhì)油折射率隨溫度變化的規(guī)律與正品油折射率隨溫度變化規(guī)律的相同與不同，從而達(dá)到區(qū)分正品油與變質(zhì)油的目的。并且得到相關(guān)油類在一定溫度范圍內(nèi)的折射率。

1 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用精確靈敏的阿貝折射儀配合可控溫的恒溫水浴箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，阿貝折射儀是能測(cè)定透明、半透明液體或固體的折射率nD和平均色散nF－nC的儀器(其中以測(cè)透明液體為主)，儀器上接恒溫器，可測(cè)定溫度為0℃ ～70℃內(nèi)的折射率nD。阿貝折射儀的折射率測(cè)量范圍是1.300 0 ～1.700 0，精度為0.000 1，可見阿貝折射儀在其折射率范圍及溫度范圍內(nèi)是十分精確的［1-6］。

將阿貝折射儀與恒溫水浴缸搭設(shè)好后便可以測(cè)量不同溫度下液體折射率的了。此次實(shí)驗(yàn)的材料包括在超市購(gòu)買的金龍魚調(diào)和油、金龍魚玉米油、福臨門調(diào)和油以及保存完好的過期1年金龍魚調(diào)和油。通過耐心細(xì)致的測(cè)量，我們最終獲得了四種實(shí)驗(yàn)材料在15℃至60℃之間每1℃的折射率數(shù)據(jù)，精度為阿貝折射儀的精度，即0.000 1。為了增加數(shù)據(jù)的可信度，我們將每種材料重復(fù)測(cè)量3次，取其平均值，減小了實(shí)驗(yàn)的誤差。

另外，為了與油類材料作對(duì)比，并且更加確定利用阿貝折射儀法測(cè)量液體折射率隨溫度改變情況的可靠性，我們同樣的分析了去離子水在相同條件下，相同溫度范圍內(nèi)的折射率變化情況，同樣得到了去離子水的折射率數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

(1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

室溫:約10℃

壓強(qiáng):約 102.70 kPa

光源:589.3 nm

(2)去離子水折射率隨溫度變化情況去離子水折射率如圖1所示。

圖1 去離子水的折射率

可見，去離子水的折射率隨溫度的升高而減小，在40℃左右折射率為1.330 0，而從15℃至60℃的溫度變化所引起的折射率改變非常小，僅約0.007 5，這充分體現(xiàn)了阿貝折射儀的高精度在本實(shí)驗(yàn)中的重要性。

另外，若對(duì)去離子水的折射率隨溫度變化曲線進(jìn)行擬合，可得到如圖2所示結(jié)果。

圖2 去離子水的折射率變化的擬合曲線

由圖2可知，去離子水的折射率隨溫度升高而減小不是線性的，而是隨者溫度的升高，折射率減小加劇。

以上對(duì)去離子水折射率的分析與已有知識(shí)匹配，證明了利用阿貝折射儀對(duì)液體折射率隨溫度改變進(jìn)行研究的可靠性，同時(shí)其精度也得到保證。

(3)四種油折射率隨溫度變化的比較

四種油的折射率如圖3所示。

從圖3可以得知，這四種食用油折射率均隨溫度的升高而減小，這是因?yàn)闇囟鹊纳呤沟靡后w分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間距增大，導(dǎo)致折射率減小。

圖3 四種油的折射率

另外，這四種油折射率隨溫度升高而基本成線性減小，這是因?yàn)槭秤糜突臼怯捎袡C(jī)大分子組成，溫度升高使得分子熱運(yùn)動(dòng)加劇的效果并不會(huì)隨溫度的升高而變得更加明顯，也就是在高溫時(shí)升高一定溫度導(dǎo)致的折射率降低與低溫時(shí)升高相同溫度導(dǎo)致的折射率降低基本相同。用水的折射率隨溫度改變與之相比較，可見，雖然水的折射率也是隨著溫度的升高而減小，但是由于水分子是小分子，所以升溫導(dǎo)致折射率減小的效果會(huì)隨著溫度的升高而加劇，即高溫時(shí)升高一定溫度導(dǎo)致的折射率減小大于低溫時(shí)升高相同溫度導(dǎo)致的折射率減小，即水的折射率在高溫區(qū)隨溫度減小更迅速，表現(xiàn)在n～T圖上即是曲線向下彎曲，不成線性減小規(guī)律。

同理，由得到的四種油折射率隨溫度升高而減小的曲線斜率基本相等可知，四種油的分子大小基本相同。參考其他資料可知，植物油基本上都是由不飽和脂肪酸與甘油化合而成，以此驗(yàn)證了其分子大小基本相等的結(jié)論。

最后，雖然這四種油折射率大小不同，但其折射率絕對(duì)值十分接近，若不是用高分辨率儀器(如阿貝折射儀)對(duì)其進(jìn)行分析，幾乎不能分辨其大小?？偟膩?lái)說(shuō)，食用油類在溫度從15℃升至60℃時(shí)，其折射率大約都是從1.475減小到1.457，改變量約為0.018。與去離子水相對(duì)比，食用油類的折射率大于去離子水的折射率(1.33左右)，且差值較為明顯，這是因?yàn)榻M成食用油類的有機(jī)大分子比水分子大得多，并且油的分子間距也比水的分子間距小。另外，相同溫度改變下，食用油類折射率的降低量也比去離子水折射率的降低量大得多，前者約為后者的兩倍。這是由于油類的折射率基數(shù)比去離子水大，所以外界環(huán)境的改變使得油類折射率改變的絕對(duì)數(shù)值比去離子水折射率改變的絕對(duì)數(shù)值大。

(4)金龍魚調(diào)和油與金龍魚玉米油的折射率隨溫度變化的比較

金龍魚調(diào)和油與金龍魚玉米油的折射率如圖4所示。

圖4 金龍魚調(diào)和油與金龍魚玉米油的折射率

根據(jù)圖4，金龍魚調(diào)和油的折射率比金龍魚玉米油的折射率大，這是因?yàn)榻瘕堲~調(diào)和油含大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油、花生油、芝麻油、亞麻籽油、紅花籽油等八種原料，所以金龍魚調(diào)和油所含成分比金龍魚玉米油豐富，這能使金龍魚調(diào)和油的分子間隙比金龍魚玉米油小，導(dǎo)致金龍魚調(diào)和油折射率高于金龍魚玉米油。

定量地看，在這三組油類對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，以未過期金龍魚調(diào)和油為參照對(duì)象。其在15℃至60℃的溫度范圍內(nèi)，其折射率從1.476 0降至1.457 9。而本組對(duì)照，金龍魚玉米油的折射率變化為，從1.475 2降至1.457 4?？梢娊瘕堲~調(diào)和油與金龍魚玉米油的折射率相差非常小，以此三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)來(lái)看，這兩種材料的折射率相差是最小的。雖然相差非常小，但金龍魚調(diào)和油的折射率在所測(cè)溫度范圍內(nèi)一直大于金龍魚玉米油的折射率，這也反映了本次實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性與可靠性。

(5)金龍魚調(diào)和油與福臨門調(diào)和油的折射率隨溫度變化的比較

金龍魚調(diào)和油與福臨門調(diào)和油的折射率如圖5所示。

根據(jù)圖5，金龍魚調(diào)和油的折射率大于福臨門調(diào)和油的折射率，福臨門調(diào)和油含小麥胚芽油、米糠油、玉米胚芽油等成分，不如金龍魚調(diào)和油豐富，故金龍魚調(diào)和油的分子間距更大，折射率更大。

圖5 金龍魚調(diào)和油與福臨門調(diào)和油的折射率

定量地看，本組對(duì)照福臨門調(diào)和油的折射率從1.475 0降至1.457 0，折射率也是一直比金龍魚調(diào)和油小。不過雖然兩者皆為調(diào)和油，但其間差值比金龍魚調(diào)和油與金龍魚玉米油之間的差值大，這是因?yàn)榻瘕堲~食用油生產(chǎn)廠家與福臨門食用油生產(chǎn)廠家所采用的生產(chǎn)工藝有所不同，導(dǎo)致其產(chǎn)品的性質(zhì)有所差異。不過這樣的差異十分不明顯，沒有大于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)金龍魚調(diào)和油與過期金龍魚調(diào)和油的折射率隨溫度變化的比較

金龍魚調(diào)和油與過期金龍魚調(diào)和油的折射率如圖6所示。

圖6 金龍魚調(diào)和油與過期金龍魚調(diào)和油的折射率

根據(jù)圖6，金龍魚調(diào)和油的折射率大于過期金龍魚調(diào)和油，因?yàn)槭秤糜徒?jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的存放過程，油脂里的亞油酸與空氣里的氧發(fā)生氧化，經(jīng)過一系列的水解、過氧化等反應(yīng)，會(huì)生成有特殊氣味的小分子醛、酮、羧酸等氧化物、過氧化物以及其他分解產(chǎn)物，這個(gè)過程稱作油脂的酸敗。酸敗后的油脂大分子大都氧化斷裂，所以分子比未酸敗的油小，折射率相應(yīng)的比未酸敗的油小。值得指出的是，油脂酸敗后的產(chǎn)物對(duì)人有害，食用過后甚至?xí)?dǎo)致人中毒，所以必須時(shí)時(shí)警惕食用油的安全性。

而且，金龍魚調(diào)和油與過期的金龍魚調(diào)和油之間的折射率差值在三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)中是最大的，過期油的折射率從1.475 0降至1.456 9。從數(shù)據(jù)上看雖然和福臨門調(diào)和油的折射率數(shù)據(jù)相似，但福臨門調(diào)和油與過期金龍魚調(diào)和油之間不存在對(duì)照關(guān)系。過期金龍魚調(diào)和油僅僅因?yàn)榇娣艜r(shí)間過長(zhǎng)，折射率便減小了0.001，這也從一個(gè)方面反映了食用油發(fā)生油脂酸敗后的嚴(yán)重變化。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)得到了金龍魚調(diào)和油、金龍魚玉米油、福臨門調(diào)和油、過期金龍魚調(diào)和油以及去離子水從15℃至60℃每攝氏度的折射率數(shù)據(jù)，并且通過對(duì)比，得到了以下結(jié)論:

(1)五種實(shí)驗(yàn)材料的折射率均隨溫度的升高而減小;

(2)去離子水的折射率隨溫度的升高而加速減小;

(3)四種油折射率隨溫度升高而降低的速率基本相同，且基本成線性;

(4)金龍魚調(diào)和油的折射率大于金龍魚玉米油，金龍魚調(diào)和油的折射率大于福臨門調(diào)和油，金龍魚調(diào)和油的折射率大于過期的金龍魚調(diào)和油。

總的來(lái)說(shuō)，液體分子尺寸以及分子間距是引起透明液體折射率改變的主要因素，組成液體的分子越大，液體的折射率越大;液體的分子間距越小，液體折射率也越大。

［1］物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.浙江大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心［Z］.

［2］孫桂林.一種折射率測(cè)量新方法［J］.應(yīng)用光學(xué)，1995，16(1):58-61.

［3］王玉平.用牛頓環(huán)產(chǎn)生的干涉條紋測(cè)量液體的折射率［J］.大學(xué)物理，2001(10).

［4］張宏，萬(wàn)葆紅.測(cè)量液體折射率隨溫度的變化［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，1998.

［5］陳泉霖.用光速測(cè)量?jī)x探究純堿溶液折射率與濃度的關(guān)系［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，5(1):1-5.

［6］袁霞.阿貝成像原理與空間濾波實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.大學(xué)物量實(shí)驗(yàn)，2013(5):51-53.