Internationale suikerschaal
Eenheid buiten het SI · grootheid: het sacharosegehalte naar de draaiingshoek van het polarisatievlak
Een suikeroplossing kan het polarisatievlak van het licht draaien, en die draaiing is evenredig met de hoeveelheid opgeloste sacharose, zodat het volstaat door een buis te schijnen en te zien over hoeveel graden de analysator gedraaid moest worden. De ontdekking komt Biot toe en werd in 1815 gedaan, en de handel greep haar aan omdat de optica antwoord geeft op de vraag waarop geen enkele areometer antwoordt: hoeveel er in de stroop juist sacharose is en niet opgeloste stof in het algemeen.
Vandaar ook de fraaie paring met de graad Brix, waarmee hetzelfde monster via de dichtheid wordt gemeten. Brix ziet alles wat opgelost is — sacharose, invertsuiker, zouten, kleurstoffen —, terwijl de polarisatie vrijwel alleen op sacharose antwoordt, en daarom is het verschil tussen de twee getallen juist die bijmenging waarvoor de koper niet wil betalen. De verhouding van die getallen heet in de fabriek zuiverheid, en juist zij en niet de zoetheid zelf bepaalt de prijs van de partij.
01 · Definitie
Honderd graden van de internationale suikerschaal zijn toegewezen aan de normaalweging: 26,000 gram zuivere sacharose, aangevuld tot honderd milliliter en bij twintig graden Celsius doorschenen door een buis van tweehonderd millimeter. Zo'n monster draait het polarisatievlak over 34,626 graden wanneer men met de gele natriumlijn schijnt, en de hele schaal is eenvoudig die hoek, voor honderd genomen en in honderd gelijke delen verdeeld.
Het vermogen de polarisatie te draaien heet optische activiteit en berust erop dat het sacharosemolecuul niet samenvalt met zijn eigen spiegelbeeld. De draaiing is evenredig zowel met de concentratie als met de weglengte door de oplossing, en de evenredigheidsfactor heet soortelijke draaiing; bij sacharose bedraagt hij plus zesenzestigeneenhalf, waarbij het plus een draaiing naar rechts betekent, met de klok mee voor een waarnemer die de straal tegemoet kijkt.
Voorbehouden zijn er daarbij precies evenveel als bij elke conventionele schaal. De soortelijke draaiing hangt af van de golflengte, en daarom staat in het teken de letter D — de gele natriumlijn —, hoewel hedendaagse sacharimeters met de groene kwiklijn schijnen, waar honderd graden reeds met 40,777 graden draaiing overeenkomen. Zij hangt ook af van de temperatuur en van de concentratie van het monster zelf, zodat de ICUMSA-tabellen de correcties afzonderlijk geven en de buis in een thermostaat wordt gehouden.
Een afzonderlijke fijnheid is dat het toestel niet de sacharose telt, maar de som van de draaiingen van alles wat in de oplossing zit. Zolang de bijmengingen optisch inactief zijn, is de aflezing eerlijk, maar zodra de sacharose uiteenvalt in glucose en fructose, daalt de draaiing en keert zij zelfs van teken om, omdat fructose sterker naar links draait dan glucose naar rechts. Dat verschijnsel heet inversie, en daarop is een hele methode gebouwd om sacharose te bepalen uit het verschil van twee metingen.
De schuif geeft aan hoeveel er in totaal in het monster is opgelost, en de knoppen kiezen wat er precies is opgelost. Areometer en refractometer tellen alles op een rij en geven graden Brix; de polarimeter antwoordt vrijwel alleen op sacharose en geeft graden van de suikerschaal, zodat de afstand tussen de twee balken juist de niet-suikers zijn, waarvoor niemand zal betalen.
Zolang de sacharose heel is, groeit de draaiing naar rechts mee met haar hoeveelheid. Valt zij echter uiteen, dan ontstaan uit één stof er twee, die naar verschillende zijden draaien: glucose naar rechts over drieënvijftig, fructose naar links over tweeënnegentig, zodat de som in het min raakt. Juist om die tekenwissel noemde men het verschijnsel inversie, en op het verschil van de draaiingen ervoor en erna is de methode van Clerget gebouwd.
02 · Omrekening
Voer in wat het toestel aanwees
Binnen de optica zijn de omrekeningen exact, want een graad van de schaal is eenvoudig een hoek gedeeld door een vast getal. De benadering begint daar waar men van de optica naar de massa overgaat: de concentratie verkrijgt men uit de hoek in gram per milliliter, terwijl massaprocenten de dichtheid van de oplossing vergen, die men uit tabellen neemt.
De buislengte laat zich in de fijne instellingen van het blad wijzigen: de gebruikelijke is tweehonderd millimeter, maar voor donkere stropen neemt men honderd en voor zeer zwakke oplossingen vierhonderd.
Een kwartscontroleplaat is wat deze schaal in werkelijkheid bewaart. Sacharose deugt niet als standaard, want zij trekt water aan, wordt troebel en inverteert langzaam vanzelf, terwijl kwarts het licht draait krachtens zijn eigen bouw en dat jarenlang onveranderd doet, zodat men een sacharimeter niet met suiker ijkt maar met een plaat die in graden van dezelfde schaal is gecertificeerd.
| Waarde | Toelichting | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Ordes van grootte
soortelijke draaiing: naar links en naar rechts04 · Meetinstrumenten
Waarmee suiker wordt gemeten
Het toestel is listig gebouwd: in plaats van de hoek rechtstreeks te meten, heft het de draaiing van de oplossing op door de tegendraaiing van een kwartswig, die men verschuift totdat het veld gelijkmatig wordt. De schaal is daarbij meteen in graden van de suikerschaal verdeeld, en daarom hoeft de bediener noch te rekenen noch in tabellen te kijken.
Het universele toestel van de chemicus, waarvan de schaal eerlijk in hoekgraden is verdeeld en waarvan de bron een natriumlamp met juist die D-lijn is. Ermee meet men de draaiing van elke optisch actieve stof en niet alleen van suiker, en daarom zijn alle getabelleerde waarden van de soortelijke draaiing juist daarop verkregen.
De toestellen van de naburige schaal: het ene vangt de breking van de straal aan het vlak van een prisma, het andere weegt eenvoudig een bekend volume, en beide geven graden Brix, dat wil zeggen de som van alles wat opgelost is. Zonder hen blijft de polarisatie een getal zonder noemer, want de zuiverheid van een partij rekent men als de verhouding van de ene aflezing tot de andere.
Het enige toestel dat elke suiker afzonderlijk telt: het monster wordt op een kolom gescheiden en men verkrijgt afzonderlijke pieken van sacharose, glucose en fructose. Bij betwiste partijen en bij laboratoriumarbitrage gelooft men juist dit, terwijl de polarisatie in de handel blijft omdat zij binnen een minuut antwoord geeft en noch reagentia noch een kolom vergt.
05 · Schrijfregels
Het teken van de draaiing weegt zwaarder dan haar grootte
De graad van de schaal schrijft men aaneengesloten met een Latijnse hoofdletter, en de waarde scheidt men af met een spatie. Bij de soortelijke draaiing is het teken onmisbaar, want zonder dat is onbekend welke kant het vlak op draait, en in het teken vermeldt men golflengte en temperatuur: de letter D staat voor de gele natriumlijn en het bovenschrift voor twintig graden Celsius. Graden van de suikerschaal mogen zelfs voor een zuivere oplossing niet gelijkgesteld worden aan graden Brix: de getallen kunnen samenvallen, maar zij meten iets anders.
De tweede schrijfwijze heeft het teken weggelaten, en zonder dat verliest de grootheid de helft van haar zin: sacharose en fructose verschillen niet zozeer in getal als wel in richting. De derde zet een gelijkteken tussen polarisatie en dichtheid, terwijl een samenvallen van de getallen alleen bij zuivere sacharose mogelijk is en niets bewijst. De vierde spreekt van «suiker» in het algemeen, hoewel de polarimeter alleen de sacharose ziet en invertsuiker met het omgekeerde teken telt en dus aftrekt.
06 · Naburige eenheden
De naaste verwanten zijn de graad Brix, waarmee hetzelfde monster via de dichtheid wordt gelezen, en de graad Plato, net zo gebouwd maar voor bierwort. Beide schalen beantwoorden de vraag «hoeveel is er in totaal opgelost», terwijl de suikerschaal de vraag beantwoordt «hoeveel daarvan is sacharose», en daarom houdt men ze in de fabriek altijd bij elkaar.
alleen sacharose
alle droge stof
zuiverheid van de partij
Van de fiches van Simetrium staan ernaast graad Brix en graad Plato, de areometerschalen °Bé / °Tw / °API, waar dezelfde dichtheid op de olieman zijn wijze wordt gelezen, alcoholsterkte, waar de suiker na de gisting heen gaat, en dichtheid in kg/m³ als gemeenschappelijke grondslag van al deze schalen.
07 · Historisch deel
Van een draaiing van het licht tot de prijs van een partij
Jean-Baptiste Biot ontdekte dat het polarisatievlak niet alleen door kristallen maar ook door oplossingen wordt gedraaid, en dat de grootte van de draaiing met de concentratie meegroeit. Een scheikundige verklaring was er toen niet, maar het werd meteen duidelijk dat de optica in een stof kan kijken zonder het monster te vernielen, en dat bleek belangrijker dan de theorie zelf.
Karl Ventzke bedacht het toestel niet in hoekgraden te verdelen maar rechtstreeks in suikerprocenten, door de draaiing van een bepaalde inweging voor honderd te nemen. De bediener hoefde sindsdien noch te rekenen noch iets van optica te weten: hij las een getal dat in een vrachtbrief kon worden overgenomen, en de suikerfabriek kreeg haar eerste werkelijke meettoestel.
Clerget begreep dat de tekenwissel bij het uiteenvallen van sacharose geen hindernis is maar een werktuig: meet men het monster vóór de inversie en erna, dan hangt het verschil van de draaiingen alleen van de sacharose af, terwijl al het overige in de oplossing wegvalt. De methode van dubbele polarisatie maakte de aflezing in één klap betrouwbaar, zelfs voor troebele fabriekstropen.
De nationale schalen weken eeuwenlang in het derde cijfer van elkaar af, en de Internationale Commissie voor uniforme methoden van suikeranalyse bracht ze tot één, door de honderd te binden aan de normaalweging en aan de groene kwiklijn. Sindsdien wordt het beurscontract voor ruwe suiker in deze graden geschreven, en een toeslag voor een tiende graad betekent in Londen en in São Paulo hetzelfde.
De suikerschaal wordt bewaard door kwarts, niet door suiker
Men zou menen dat de standaard van zo'n schaal de sacharose zelf moest zijn, maar voor die rol deugt zij in het geheel niet: sacharose trekt water uit de lucht, wordt troebel van de geringste bijmenging en valt vanzelf uiteen, en een oplossing ervan leeft geteld aantal dagen. Kwarts daarentegen draait het polarisatievlak krachtens zijn eigen bouw, doet dat jarenlang onveranderd en vergt noch inweging noch kolf, en daarom ijkt men sacharimeters met een kwartsplaat die in graden van dezelfde schaal is gecertificeerd.
Het blijkt dat een grootheid, genoemd naar de suiker en bedacht voor de suikerhandel, gebonden is aan een mineraal, aan een golflengte en aan de meetkunde van een buis, terwijl de suiker zelf in die keten pas aan het eind verschijnt, wanneer het toestel naar het monster kijkt. Juist die inrichting maakt haar tot een conventionele schaal en niet tot een natuurconstante: wat hier gereproduceerd wordt is niet de suiker maar de overeenstemming tussen toestellen, en daarom herschrijft ICUMSA niet de natuur maar een protocol.
Catalogus · meeteenheden
Een fiche voor elke grootheid
Zeven SI-basiseenheden, tweeëntwintig afgeleide met een eigen naam en grootheden buiten het stelsel waarzonder techniek noch kalender zouden werken.