Internationale Zuckerskala
Einheit außerhalb des SI · Größe: der Saccharosegehalt nach dem Drehwinkel der Polarisationsebene
Eine Zuckerlösung vermag die Polarisationsebene des Lichts zu drehen, und diese Drehung ist der Menge der gelösten Saccharose proportional, sodass es genügt, durch ein Rohr zu leuchten und zu sehen, um wie viele Grad der Analysator gedreht werden musste. Die Entdeckung gehört Biot und wurde 1815 gemacht, und der Handel griff nach ihr, weil die Optik jene Frage beantwortet, die kein Aräometer beantwortet: wie viel im Sirup gerade Saccharose ist und nicht gelöste Stoffe überhaupt.
Daher auch die schöne Paarung mit dem Grad Brix, mit dem dieselbe Probe über die Dichte gemessen wird. Brix sieht alles Gelöste — Saccharose, Invertzucker, Salze, Farbstoffe —, während die Polarisation fast nur auf Saccharose antwortet, und deshalb ist die Differenz der beiden Zahlen eben jene Beimengung, für die der Käufer nicht zahlen will. Das Verhältnis dieser Zahlen nennt man im Werk Reinheit, und eben sie und nicht die Süße selbst bestimmt den Preis der Partie.
01 · Definition
Hundert Grad der Internationalen Zuckerskala sind der Normalwägung zugewiesen: 26,000 Gramm reiner Saccharose, auf hundert Milliliter aufgefüllt und bei zwanzig Grad Celsius durch ein zweihundert Millimeter langes Rohr durchleuchtet. Eine solche Probe dreht die Polarisationsebene um 34,626 Grad, wenn man mit der gelben Natriumlinie leuchtet, und die ganze Skala ist einfach dieser Winkel, für hundert genommen und in hundert gleiche Teile geteilt.
Die Fähigkeit, die Polarisation zu drehen, heißt optische Aktivität und beruht darauf, dass das Saccharosemolekül mit seinem eigenen Spiegelbild nicht zusammenfällt. Die Drehung ist sowohl der Konzentration als auch der Weglänge in der Lösung proportional, und den Proportionalitätsfaktor nennt man spezifische Drehung; bei Saccharose beträgt er plus sechsundsechzigeinhalb, wobei das Plus eine Drehung nach rechts bedeutet, im Uhrzeigersinn für den Beobachter, der dem Strahl entgegensieht.
Vorbehalte gibt es dabei genau so viele wie bei jeder konventionellen Skala. Die spezifische Drehung hängt von der Wellenlänge ab, und darum steht im Zeichen der Buchstabe D — die gelbe Natriumlinie —, obwohl heutige Saccharimeter mit der grünen Quecksilberlinie leuchten, wo hundert Grad bereits 40,777 Grad Drehung entsprechen. Sie hängt auch von der Temperatur ab und von der Konzentration der Probe selbst, sodass die ICUMSA-Tafeln die Korrekturen gesondert aufführen und das Rohr im Thermostaten gehalten wird.
Eine besondere Feinheit liegt darin, dass das Gerät nicht die Saccharose zählt, sondern die Summe der Drehungen von allem, was in der Lösung ist. Solange die Beimengungen optisch inaktiv sind, ist der Messwert ehrlich; zerfällt die Saccharose aber in Glukose und Fruktose, so fällt die Drehung und kehrt sogar ihr Vorzeichen um, weil Fruktose stärker nach links dreht als Glukose nach rechts. Die Erscheinung heißt Inversion, und auf ihr ist ein ganzes Verfahren zur Bestimmung der Saccharose aus der Differenz zweier Messungen aufgebaut.
Der Schieber gibt an, wie viel insgesamt in der Probe gelöst ist, und die Tasten wählen, was genau dort gelöst ist. Aräometer und Refraktometer zählen alles der Reihe nach und geben Grad Brix; das Polarimeter antwortet fast nur auf Saccharose und gibt Grad der Zuckerskala, sodass der Abstand zwischen den beiden Balken eben die Nichtzucker sind, für die niemand zahlen wird.
Solange die Saccharose ganz ist, wächst die Drehung nach rechts mit ihrer Menge. Zerfällt sie aber, so entstehen statt eines Stoffes zwei, die nach verschiedenen Seiten drehen: Glukose nach rechts um dreiundfünfzig, Fruktose nach links um zweiundneunzig, sodass die Summe ins Minus geht. Eben wegen dieses Vorzeichenwechsels nannte man die Erscheinung Inversion, und auf der Differenz der Drehungen davor und danach ist die Clerget-Methode aufgebaut.
02 · Umrechnung
Geben Sie ein, was das Gerät angezeigt hat
Innerhalb der Optik sind die Umrechnungen genau, denn ein Grad der Skala ist einfach ein durch eine feste Zahl geteilter Winkel. Die Näherung beginnt dort, wo man von der Optik zur Masse übergeht: die Konzentration erhält man aus dem Winkel in Gramm je Milliliter, Massenprozent aber verlangen die Dichte der Lösung, die man Tafeln entnimmt.
Die Rohrlänge lässt sich in den Feineinstellungen des Blattes ändern: die übliche beträgt zweihundert Millimeter, doch für dunkle Sirupe nimmt man hundert und für sehr schwache Lösungen vierhundert.
Eine Quarzkontrollplatte ist es, die diese Skala tatsächlich hütet. Saccharose taugt als Normal nicht, denn sie zieht Wasser, trübt sich und invertiert langsam von selbst, während Quarz das Licht kraft seines eigenen Baus dreht und dies über Jahre unverändert tut, sodass man ein Saccharimeter nicht mit Zucker prüft, sondern mit einer Platte, die in Graden derselben Skala beglaubigt ist.
| Wert | Anmerkung | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Größenordnungen
spezifische Drehung: nach links und nach rechts04 · Messgeräte
Womit Zucker gemessen wird
Das Gerät ist listig gebaut: statt den Winkel unmittelbar zu messen, hebt es die Drehung der Lösung durch die Gegendrehung eines Quarzkeils auf, den man verschiebt, bis das Feld gleichmäßig wird. Die Skala ist dabei gleich in Graden der Zuckerskala geteilt, und darum braucht der Bedienende weder zu rechnen noch in Tafeln zu sehen.
Das Allzweckgerät des Chemikers, dessen Skala ehrlich in Winkelgraden geteilt ist und dessen Quelle eine Natriumlampe mit eben jener D-Linie ist. Mit ihm misst man die Drehung jedes optisch aktiven Stoffes und nicht nur des Zuckers, und darum sind alle tabellierten Werte der spezifischen Drehung gerade an ihm gewonnen worden.
Die Geräte der Nachbarskala: das eine fängt die Brechung des Strahls an der Prismenfläche, das andere wiegt einfach ein bekanntes Volumen, und beide geben Grad Brix, also die Summe alles Gelösten. Ohne sie bleibt die Polarisation eine Zahl ohne Nenner, denn die Reinheit einer Partie rechnet man als Verhältnis des einen Messwerts zum anderen.
Das einzige Gerät, das jeden Zucker gesondert zählt: die Probe wird auf einer Säule getrennt, und man erhält getrennte Gipfel für Saccharose, Glukose und Fruktose. Bei strittigen Partien und im Laborschiedsverfahren glaubt man eben ihm, die Polarisation aber bleibt im Handel, weil sie binnen einer Minute antwortet und weder Reagenzien noch eine Säule verlangt.
05 · Schreibregeln
Das Vorzeichen der Drehung wiegt schwerer als ihr Betrag
Den Grad der Skala schreibt man ohne Zwischenraum mit großem lateinischem Buchstaben, den Wert aber trennt ein Leerzeichen ab. Bei der spezifischen Drehung ist das Vorzeichen unerlässlich, da ohne es unbekannt bleibt, wohin die Ebene dreht, und im Zeichen gibt man Wellenlänge und Temperatur an: der Buchstabe D steht für die gelbe Natriumlinie, der obere Index für zwanzig Grad Celsius. Grad der Zuckerskala dürfen selbst für eine reine Lösung nicht mit Grad Brix gleichgesetzt werden: die Zahlen mögen zusammenfallen, gemessen wird Verschiedenes.
Die zweite Schreibweise hat das Vorzeichen weggelassen, und ohne dieses verliert die Größe die Hälfte ihres Sinnes: Saccharose und Fruktose unterscheiden sich weniger in der Zahl als in der Richtung. Die dritte setzt ein Gleichheitszeichen zwischen Polarisation und Dichte, während ein Zusammenfallen der Zahlen nur bei reiner Saccharose möglich ist und nichts beweist. Die vierte spricht von «Zucker» überhaupt, obwohl das Polarimeter allein die Saccharose sieht und den Invertzucker mit umgekehrtem Vorzeichen zählt und daher abzieht.
06 · Benachbarte Einheiten
Die nächsten Verwandten sind der Grad Brix, mit dem dieselbe Probe über die Dichte gelesen wird, und der Grad Plato, ebenso gebaut, nur für Bierwürze. Beide Skalen beantworten die Frage «wie viel ist insgesamt gelöst», während die Zuckerskala die Frage «wie viel davon ist Saccharose» beantwortet, und darum hält man sie im Werk stets beisammen.
nur Saccharose
die gesamte Trockensubstanz
Reinheit der Partie
Von den Datenblättern von Simetrium stehen daneben Grad Brix und Grad Plato, die Aräometerskalen °Bé / °Tw / °API, wo dieselbe Dichte auf Erdölart gelesen wird, Alkoholstärke, wohin der Zucker nach der Gärung geht, und Dichte in kg/m³ als gemeinsame Grundlage all dieser Skalen.
07 · Historischer Teil
Von der Drehung des Lichts zum Preis der Partie
Jean-Baptiste Biot fand, dass die Polarisationsebene nicht nur von Kristallen, sondern auch von Lösungen gedreht wird und dass die Größe der Drehung mit der Konzentration wächst. Eine chemische Erklärung gab es damals nicht, doch war sogleich klar, dass die Optik ins Innere eines Stoffes zu blicken vermag, ohne die Probe zu zerstören, und das erwies sich als wichtiger denn die Theorie selbst.
Karl Ventzke kam darauf, das Gerät nicht in Winkelgraden zu teilen, sondern unmittelbar in Zuckerprozenten, indem er die Drehung einer bestimmten Einwaage für hundert nahm. Der Bedienende musste seither weder rechnen noch Optik verstehen: er las eine Zahl, die sich in den Frachtbrief übertragen ließ, und das Zuckerwerk erhielt sein erstes wirkliches Messgerät.
Clerget begriff, dass der Vorzeichenwechsel beim Zerfall der Saccharose kein Hindernis ist, sondern ein Werkzeug: misst man die Probe vor der Inversion und danach, so hängt die Differenz der Drehungen allein von der Saccharose ab, während alles Übrige in der Lösung sich weghebt. Das Verfahren der doppelten Polarisation machte den Messwert mit einem Schlag verlässlich, selbst bei trüben Werkssirupen.
Die nationalen Skalen wichen jahrhundertelang in der dritten Stelle voneinander ab, und die Internationale Kommission für einheitliche Methoden der Zuckeranalytik führte sie zu einer zusammen, indem sie die Hundert an die Normalwägung und an die grüne Quecksilberlinie band. Seither wird der Börsenkontrakt über Rohzucker in diesen Graden geschrieben, und ein Aufschlag für ein Zehntelgrad bedeutet in London und in São Paulo dasselbe.
Die Zuckerskala hütet der Quarz, nicht der Zucker
Man sollte meinen, das Normal einer solchen Skala müsse die Saccharose selbst sein, doch für diese Rolle taugt sie ganz und gar nicht: Saccharose zieht Wasser aus der Luft, trübt sich von der geringsten Beimengung und zerfällt von selbst, und eine Lösung von ihr lebt gezählte Tage. Der Quarz dagegen dreht die Polarisationsebene kraft seines eigenen Baus, tut dies über Jahre unverändert und verlangt weder Einwaage noch Kolben, und darum prüft man Saccharimeter mit einer Quarzplatte, die in Graden derselben Skala beglaubigt ist.
Es zeigt sich, dass eine Größe, die nach dem Zucker benannt und für den Zuckerhandel ersonnen wurde, an ein Mineral gebunden ist, an eine Wellenlänge und an die Geometrie eines Rohres, während der Zucker selbst in dieser Kette erst am Ende auftritt, wenn das Gerät auf die Probe blickt. Eben diese Bauart macht sie zu einer konventionellen Skala und nicht zu einer Naturkonstanten: reproduziert wird hier nicht der Zucker, sondern die Übereinstimmung zwischen Geräten, und darum schreibt ICUMSA nicht die Natur um, sondern ein Protokoll.
Katalog · Maßeinheiten
Ein Datenblatt für jede Größe
Sieben SI-Basiseinheiten, zweiundzwanzig abgeleitete mit eigenem Namen und Größen außerhalb des Systems, ohne die weder Technik noch Kalender auskommen.