Échelle sucrière internationale
Unité hors SI · grandeur : la teneur en saccharose d'après l'angle de rotation du plan de polarisation
Une solution de sucre sait faire tourner le plan de polarisation de la lumière, et cette rotation est proportionnelle à la quantité de saccharose dissous, si bien qu'il suffit d'éclairer à travers un tube et de voir de combien de degrés il a fallu tourner l'analyseur. La découverte appartient à Biot et fut faite en 1815, et le commerce s'en empara parce que l'optique répond à la question à laquelle aucun aréomètre ne répond : combien il y a dans le sirop de saccharose précisément, et non de matières dissoutes en général.
De là aussi le bel appariement avec le degré Brix, par lequel le même échantillon se mesure d'après la masse volumique. Le Brix voit tout ce qui est dissous — saccharose, sucre inverti, sels, matières colorantes —, tandis que la polarisation ne répond guère qu'au saccharose, et c'est pourquoi la différence des deux nombres est justement cet ajout que l'acheteur ne veut pas payer. Le rapport de ces nombres s'appelle en sucrerie la pureté, et c'est lui, et non la douceur elle-même, qui fixe le prix du lot.
01 · Définition
Cent degrés de l'échelle sucrière internationale sont donnés à la pesée normale : 26,000 grammes de saccharose pur, dissous et complétés à cent millilitres, traversés par la lumière dans un tube de deux cents millimètres à vingt degrés Celsius. Un tel échantillon fait tourner le plan de polarisation de 34,626 degrés lorsqu'on éclaire à la raie jaune du sodium, et toute l'échelle n'est que cet angle, pris pour cent et divisé en cent parts égales.
La faculté de faire tourner la polarisation s'appelle activité optique et tient à ce que la molécule de saccharose ne coïncide pas avec sa propre image dans un miroir. La rotation est proportionnelle et à la concentration et à la longueur du trajet dans la solution, et le coefficient de proportionnalité se nomme pouvoir rotatoire spécifique ; pour le saccharose il vaut plus soixante-six et demi, le plus signifiant une rotation à droite, dans le sens des aiguilles pour un observateur regardant vers le faisceau.
Les réserves sont ici exactement aussi nombreuses que pour toute échelle conventionnelle. Le pouvoir rotatoire dépend de la longueur d'onde, et c'est pourquoi figure dans le symbole la lettre D — la raie jaune du sodium —, bien que les saccharimètres d'aujourd'hui éclairent à la raie verte du mercure, où cent degrés répondent déjà à 40,777 degrés de rotation. Il dépend aussi de la température et de la concentration de l'échantillon lui-même, de sorte que les tables de l'ICUMSA donnent les corrections à part et que le tube est tenu au thermostat.
Une subtilité à part tient à ce que l'instrument ne compte pas le saccharose, mais la somme des rotations de tout ce qui se trouve dans la solution. Tant que les impuretés sont optiquement inactives, la lecture est honnête, mais que le saccharose se décompose en glucose et fructose, et la rotation baisse et change même de signe, parce que le fructose tourne à gauche plus fortement que le glucose à droite. Le phénomène s'appelle inversion, et sur lui est bâtie toute une méthode de dosage du saccharose par la différence de deux mesures.
Le curseur règle combien il y a en tout de dissous dans l'échantillon, et les boutons choisissent ce qui y est dissous au juste. L'aréomètre et le réfractomètre comptent tout à la file et donnent des degrés Brix ; le polarimètre ne répond guère qu'au saccharose et donne des degrés de l'échelle sucrière, de sorte que l'écart entre les deux barres, ce sont justement les non-sucres, que nul ne paiera.
Tant que le saccharose est entier, la rotation croît à droite avec sa quantité. Vienne-t-il à se rompre, et d'une substance il en naît deux, tournant en sens contraires : le glucose à droite de cinquante-trois, le fructose à gauche de quatre-vingt-douze, si bien que la somme passe au négatif. C'est justement pour ce changement de signe que le phénomène reçut le nom d'inversion, et sur la différence des rotations avant et après elle est bâtie la méthode de Clerget.
02 · Conversion
Saisissez ce qu'a indiqué l'instrument
À l'intérieur de l'optique les conversions sont exactes, puisqu'un degré de l'échelle n'est qu'un angle divisé par un nombre constant. L'approximation commence là où l'on passe de l'optique à la masse : la concentration s'obtient de l'angle en grammes par millilitre, tandis que les pour cent en masse exigent la masse volumique de la solution, que l'on tire des tables.
La longueur du tube se change dans les réglages fins de la fiche : la longueur usuelle est de deux cents millimètres, mais pour les sirops foncés on en prend cent, et pour les solutions très faibles quatre cents.
Une lame de contrôle en quartz, voilà ce qui garde en réalité cette échelle. Le saccharose ne vaut rien comme étalon, car il attire l'eau, se trouble et s'invertit lentement de lui-même, tandis que le quartz fait tourner la lumière par sa propre structure et le fait sans changer pendant des années, si bien qu'un saccharimètre se vérifie non avec du sucre mais avec une lame certifiée en degrés de la même échelle.
| Valeur | Remarque | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Ordres de grandeur
pouvoir rotatoire : à gauche et à droite04 · Instruments de mesure
Avec quoi l'on mesure le sucre
L'instrument est bâti avec ruse : au lieu de mesurer l'angle directement, il annule la rotation de la solution par la contre-rotation d'un coin de quartz, que l'on déplace jusqu'à ce que le champ devienne uniforme. L'échelle y est graduée d'emblée en degrés de l'échelle sucrière, et l'opérateur n'a donc ni à compter ni à consulter des tables.
L'instrument universel du chimiste, dont l'échelle est honnêtement graduée en degrés d'angle et dont la source est une lampe au sodium portant cette raie D même. On y mesure la rotation de toute substance optiquement active, et non du seul sucre, et c'est pourquoi toutes les valeurs tabulées du pouvoir rotatoire ont été obtenues précisément sur lui.
Les instruments de l'échelle voisine : l'un saisit la réfraction du faisceau à la face d'un prisme, l'autre pèse simplement un volume connu, et tous deux donnent des degrés Brix, c'est-à-dire la somme de tout le dissous. Sans eux la polarisation reste un nombre sans dénominateur, car la pureté d'un lot se compte comme le rapport d'une lecture à l'autre.
Le seul instrument qui compte chaque sucre à part : l'échantillon est séparé sur une colonne et l'on obtient des pics distincts de saccharose, de glucose et de fructose. Pour les lots contestés et dans l'arbitrage de laboratoire, c'est à lui que l'on croit, tandis que la polarisation demeure dans le commerce parce qu'elle répond en une minute et n'exige ni réactifs ni colonne.
05 · Règles d’écriture
Le signe de la rotation pèse plus que sa grandeur
Le degré de l'échelle s'écrit collé avec une capitale latine, et la valeur s'en sépare par une espace. Pour le pouvoir rotatoire le signe est obligatoire, puisque sans lui on ignore de quel côté tourne le plan, et le symbole porte la longueur d'onde et la température : la lettre D répond de la raie jaune du sodium et l'exposant de vingt degrés Celsius. Les degrés de l'échelle sucrière ne doivent pas être assimilés aux degrés Brix, même pour une solution pure : les nombres peuvent coïncider, mais ce qu'ils mesurent diffère.
La deuxième écriture a laissé tomber le signe, et sans lui la grandeur perd la moitié de son sens : saccharose et fructose diffèrent moins par le nombre que par la direction. La troisième met un signe d'égalité entre polarisation et masse volumique, alors qu'une coïncidence des nombres n'est possible que pour le saccharose pur et ne prouve rien. La quatrième parle de « sucre » en général, bien que le polarimètre ne voie que le saccharose et compte le sucre inverti avec le signe contraire, donc le retranche.
06 · Unités voisines
La parenté la plus proche, c'est le degré Brix, par lequel le même échantillon se lit d'après la masse volumique, et le degré Plato, bâti de même mais pour le moût de bière. Les deux échelles répondent à la question « combien y a-t-il de dissous en tout », tandis que l'échelle sucrière répond à la question « combien y a-t-il là de saccharose », et c'est pourquoi en sucrerie on les tient toujours ensemble.
le saccharose seul
tout l'extrait sec
pureté du lot
Parmi les fiches de Simetrium se trouvent à côté degré Brix et degré Plato, les échelles d'aréomètre °Bé / °Tw / °API, où la même masse volumique se lit à la manière des pétroliers, titre alcoométrique, où va le sucre après la fermentation, et masse volumique en kg/m³ comme fondement commun de toutes ces échelles.
07 · Section historique
D'une rotation de la lumière au prix d'un lot
Jean-Baptiste Biot découvrit que le plan de polarisation est tourné non seulement par les cristaux mais aussi par les solutions, et que la grandeur de la rotation croît avec la concentration. Il n'y avait alors nulle explication chimique, mais il devint aussitôt clair que l'optique sait regarder à l'intérieur d'une substance sans détruire l'échantillon, et cela se révéla plus important que la théorie même.
Karl Ventzke eut l'idée de graduer l'instrument non en degrés d'angle mais directement en pour cent de sucre, en prenant pour cent la rotation d'une pesée déterminée. Dès lors l'opérateur n'eut plus ni à compter ni à connaître l'optique : il lisait un nombre que l'on pouvait reporter sur une lettre de voiture, et la sucrerie reçut son premier véritable instrument de mesure.
Clerget comprit que le changement de signe lors de la rupture du saccharose n'est pas un obstacle mais un outil : si l'on mesure l'échantillon avant l'inversion et après, la différence des rotations ne dépend que du saccharose, tandis que tout le reste de la solution s'annule. La méthode de la double polarisation rendit d'un coup la lecture sûre, même pour les sirops troubles de fabrique.
Les échelles nationales divergèrent des siècles durant au troisième chiffre, et la Commission internationale pour les méthodes uniformes d'analyse sucrière les ramena à une seule, en liant la centaine à la pesée normale et à la raie verte du mercure. Depuis lors le contrat boursier sur le sucre brut s'écrit en ces degrés, et une prime pour un dixième de degré signifie la même chose à Londres et à São Paulo.
L'échelle sucrière est gardée par le quartz, non par le sucre
On croirait que l'étalon d'une telle échelle devrait être le saccharose lui-même, or pour ce rôle il ne vaut absolument rien : le saccharose tire l'eau de l'air, se trouble à la moindre impureté et se rompt de lui-même, et une solution n'en vit que quelques jours. Le quartz, lui, fait tourner le plan de polarisation par sa propre structure, le fait sans changer pendant des années et n'exige ni pesée ni ballon, et c'est pourquoi les saccharimètres se vérifient avec une lame de quartz certifiée en degrés de la même échelle.
Il se trouve ainsi qu'une grandeur nommée d'après le sucre et imaginée pour le commerce sucrier est liée à un minéral, à une longueur d'onde et à la géométrie d'un tube, tandis que le sucre lui-même n'apparaît dans cette chaîne qu'à la fin, quand l'instrument regarde l'échantillon. C'est cette disposition même qui en fait une échelle conventionnelle et non une constante de la nature : ce que l'on reproduit ici, ce n'est pas le sucre mais l'accord entre les instruments, et c'est pourquoi l'ICUMSA ne réécrit pas la nature mais un protocole.
Catalogue · unités de mesure
Une fiche pour chaque grandeur
Sept unités de base du SI, vingt-deux dérivées portant un nom propre, et des grandeurs hors système sans lesquelles ni la technique ni le calendrier ne fonctionneraient.