Międzynarodowa skala cukrowa
Jednostka spoza SI · wielkość: zawartość sacharozy według kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji
Roztwór cukru umie skręcić płaszczyznę polaryzacji światła, a skręcenie to jest proporcjonalne do ilości rozpuszczonej sacharozy, tak że wystarczy poświecić przez rurkę i zobaczyć, o ile stopni trzeba było obrócić analizator. Odkrycie należy do Biota i zostało dokonane w 1815 roku, a handel chwycił się go dlatego, że optyka odpowiada na pytanie, na które nie odpowie żaden areometr: ile w syropie jest właśnie sacharozy, a nie substancji rozpuszczonych w ogóle.
Stąd też piękna para ze stopniem Brixa, którym tę samą próbkę mierzy się przez gęstość. Brix widzi wszystko, co rozpuszczone — sacharozę, cukier inwertowany, sole, barwniki — podczas gdy polaryzacja odpowiada niemal wyłącznie na sacharozę, i dlatego różnica między dwiema liczbami jest właśnie tą domieszką, za którą kupujący płacić nie chce. Stosunek tych liczb nazywa się w cukrowni czystością i to właśnie on, a nie sama słodycz, wyznacza cenę partii.
01 · Definicja
Sto stopni międzynarodowej skali cukrowej oddano naważce normalnej: 26,000 grama czystej sacharozy, rozpuszczone i dopełnione do stu mililitrów, prześwietlone w rurce długości dwustu milimetrów przy dwudziestu stopniach Celsjusza. Taka próbka skręca płaszczyznę polaryzacji o 34,626 stopnia, jeśli świecić żółtą linią sodu, a cała skala to po prostu ten kąt, wzięty za sto i podzielony na sto równych części.
Zdolność skręcania polaryzacji nazywa się czynnością optyczną i opiera się na tym, że cząsteczka sacharozy nie pokrywa się z własnym odbiciem w lustrze. Skręcenie jest proporcjonalne i do stężenia, i do długości drogi w roztworze, a współczynnik proporcjonalności zwie się skręcalnością właściwą; dla sacharozy wynosi plus sześćdziesiąt sześć i pół, przy czym plus oznacza skręcenie w prawo, zgodnie z ruchem wskazówek dla obserwatora patrzącego na wprost promienia.
Zastrzeżeń jest przy tym dokładnie tyle samo, co przy każdej skali umownej. Skręcalność właściwa zależy od długości fali i dlatego w oznaczeniu stoi litera D — żółta linia sodu — chociaż dzisiejsze sacharymetry świecą zieloną linią rtęci, gdzie stu stopniom odpowiada już 40,777 stopnia skręcenia. Zależy też od temperatury i od stężenia samej próbki, tak że tablice ICUMSA podają poprawki osobno, a rurkę trzyma się w termostacie.
Osobna subtelność polega na tym, że przyrząd liczy nie sacharozę, lecz sumę skręceń wszystkiego, co jest w roztworze. Dopóki domieszki są optycznie nieczynne, wskazanie jest uczciwe, ale niech sacharoza rozpadnie się na glukozę i fruktozę, a skręcenie spada i nawet zmienia znak, ponieważ fruktoza skręca w lewo silniej niż glukoza w prawo. Zjawisko nazywa się inwersją i na nim zbudowana jest cała metoda oznaczania sacharozy z różnicy dwóch pomiarów.
Suwak ustala, ile w sumie jest rozpuszczone w próbce, a przyciski wybierają, co dokładnie jest tam rozpuszczone. Areometr z refraktometrem liczą wszystko po kolei i dają stopnie Brixa, polarymetr odpowiada niemal tylko na sacharozę i daje stopnie skali cukrowej, tak że odstęp między dwoma słupkami to właśnie niecukry, za które nikt nie zapłaci.
Dopóki sacharoza jest cała, skręcenie rośnie w prawo wraz z jej ilością. Gdy jednak się rozpadnie, z jednej substancji powstają dwie, skręcające w różne strony: glukoza w prawo o pięćdziesiąt trzy, fruktoza w lewo o dziewięćdziesiąt dwa, tak że suma idzie na minus. Właśnie z powodu tej zmiany znaku zjawisko nazwano inwersją, a na różnicy skręceń przed nią i po niej zbudowana jest metoda Clergeta.
02 · Przeliczanie
Wpisz to, co pokazał przyrząd
Wewnątrz optyki przeliczenia są dokładne, ponieważ stopień skali to po prostu kąt podzielony przez stałą liczbę. Przybliżenie zaczyna się tam, gdzie od optyki przechodzi się do masy: stężenie otrzymuje się z kąta w gramach na mililitr, procenty masowe zaś wymagają gęstości roztworu, którą bierze się z tablic.
Długość rurki można zmienić w drobnych ustawieniach karty: zwyczajna wynosi dwieście milimetrów, ale dla ciemnych syropów bierze się sto, a dla bardzo słabych roztworów czterysta.
Kwarcowa płytka kontrolna — oto co naprawdę strzeże tej skali. Sacharoza nie nadaje się na wzorzec, ponieważ ciągnie wodę, mętnieje i powoli sama się inwertuje, kwarc zaś skręca światło mocą własnej budowy i czyni to latami bez zmiany, tak że sacharymetr sprawdza się nie cukrem, lecz płytką atestowaną w stopniach tej samej skali.
| Wartość | Uwaga | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Rzędy wielkości
skręcalność właściwa: w lewo i w prawo04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się cukier
Przyrząd zbudowano przemyślnie: zamiast mierzyć kąt wprost, znosi skręcenie roztworu przeciwnym skręceniem kwarcowego klina, który przesuwa się dopóty, aż pole stanie się jednolite. Skala jest przy tym podzielona od razu w stopniach skali cukrowej, i dlatego obsługujący nie musi ani liczyć, ani zaglądać do tablic.
Uniwersalny przyrząd chemika, którego skala jest uczciwie podzielona w stopniach kątowych, a źródłem jest lampa sodowa z ową linią D. Mierzy się nim skręcenie każdej substancji optycznie czynnej, a nie tylko cukru, i dlatego wszystkie tablicowe wartości skręcalności właściwej otrzymano właśnie na nim.
Przyrządy sąsiedniej skali: jeden chwyta załamanie promienia na ścianie pryzmatu, drugi po prostu waży znaną objętość, a oba dają stopnie Brixa, czyli sumę wszystkiego, co rozpuszczone. Bez nich polaryzacja pozostaje liczbą bez mianownika, ponieważ czystość partii liczy się jako stosunek jednego wskazania do drugiego.
Jedyny przyrząd, który liczy każdy cukier osobno: próbkę rozdziela się na kolumnie i otrzymuje osobne szczyty sacharozy, glukozy i fruktozy. Przy partiach spornych i w arbitrażu laboratoryjnym wierzy się właśnie jemu, polaryzacja zaś pozostaje w handlu dlatego, że odpowiada w ciągu minuty i nie wymaga ani odczynników, ani kolumny.
05 · Zasady zapisu
Znak skręcenia waży więcej niż jego wielkość
Stopień skali pisze się bez odstępu wielką łacińską literą, a wartość oddziela się spacją. Przy skręcalności właściwej znak jest nieodzowny, bo bez niego nie wiadomo, w którą stronę skręca płaszczyzna, a w oznaczeniu podaje się długość fali i temperaturę: litera D odpowiada za żółtą linię sodu, a górny wskaźnik za dwadzieścia stopni Celsjusza. Stopni skali cukrowej nie wolno zrównywać ze stopniami Brixa nawet dla czystego roztworu: liczby mogą się pokrywać, ale mierzą co innego.
Drugi zapis opuścił znak, a bez niego wielkość traci połowę sensu: sacharoza i fruktoza różnią się nie tyle liczbą, ile kierunkiem. Trzeci stawia znak równości między polaryzacją a gęstością, podczas gdy zgodność liczb możliwa jest tylko dla czystej sacharozy i niczego nie dowodzi. Czwarty mówi o «cukrze» w ogóle, choć polarymetr widzi samą sacharozę, a cukier inwertowany liczy z przeciwnym znakiem, a więc odejmuje.
06 · Jednostki sąsiednie
Najbliższa rodzina to stopień Brixa, którym tę samą próbkę czyta się przez gęstość, i stopień Plato, urządzony tak samo, tyle że dla brzeczki piwnej. Obie skale odpowiadają na pytanie «ile w sumie jest rozpuszczone», podczas gdy skala cukrowa odpowiada na pytanie «ile z tego jest sacharozy», i dlatego w cukrowni trzyma się je zawsze razem.
tylko sacharoza
cała sucha masa
czystość partii
Spośród kart Simetrium obok stoją stopień Brixa i stopień Plato, skale areometru °Bé / °Tw / °API, gdzie tę samą gęstość czyta się po naftowemu, moc spirytusu, dokąd cukier odchodzi po fermentacji, oraz gęstość w kg/m³ jako wspólna podstawa wszystkich tych skal.
07 · Dział historyczny
Od skręcenia światła do ceny partii
Jean-Baptiste Biot odkrył, że płaszczyznę polaryzacji skręcają nie tylko kryształy, lecz także roztwory, a wielkość skręcenia rośnie ze stężeniem. Wyjaśnienia chemicznego wówczas nie było, za to od razu stało się jasne, że optyka umie zajrzeć do wnętrza substancji bez niszczenia próbki, i to okazało się ważniejsze niż sama teoria.
Karl Ventzke wpadł na to, by podzielić przyrząd nie w stopniach kątowych, lecz wprost w procentach cukru, przyjmując za sto skręcenie określonej naważki. Obsługujący nie musiał odtąd ani liczyć, ani znać optyki: czytał liczbę, którą można było przepisać do listu przewozowego, a cukrownia otrzymała swój pierwszy prawdziwy przyrząd pomiarowy.
Clerget pojął, że zmiana znaku przy rozpadzie sacharozy nie jest przeszkodą, lecz narzędziem: jeśli zmierzyć próbkę przed inwersją i po niej, różnica skręceń zależy wyłącznie od sacharozy, a wszystko inne w roztworze się znosi. Metoda podwójnej polaryzacji uczyniła wskazanie wiarygodnym za jednym zamachem, nawet dla mętnych syropów fabrycznych.
Skale narodowe rozchodziły się przez wieki na trzecim miejscu, a Międzynarodowa Komisja do spraw Jednolitych Metod Analizy Cukrowej sprowadziła je do jednej, wiążąc setkę z naważką normalną i z zieloną linią rtęci. Odtąd kontrakt giełdowy na cukier surowy pisze się w tych stopniach, a dopłata za dziesiątą część stopnia oznacza to samo w Londynie i w São Paulo.
Skalę cukrową strzeże kwarc, a nie cukier
Zdawałoby się, że wzorcem takiej skali powinna być sama sacharoza, jednak do tej roli nie nadaje się zupełnie: sacharoza ciągnie wodę z powietrza, mętnieje od najmniejszej domieszki i rozpada się sama z siebie, a jej roztwór żyje policzone dni. Kwarc natomiast skręca płaszczyznę polaryzacji mocą własnej budowy, czyni to latami bez zmiany i nie wymaga ani naważki, ani kolby, i dlatego sacharymetry sprawdza się kwarcową płytką atestowaną w stopniach tej samej skali.
Wychodzi więc, że wielkość nazwana od cukru i wymyślona dla handlu cukrem jest przywiązana do minerału, do długości fali i do kształtu rurki, sam zaś cukier pojawia się w tym łańcuchu dopiero na końcu, gdy przyrząd patrzy na próbkę. Właśnie takie urządzenie czyni z niej skalę umowną, a nie stałą przyrody: odtwarza się tu nie cukier, lecz zgodność między przyrządami, i dlatego ICUMSA nie przepisuje przyrody, lecz przepis.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami i wielkości spoza układu, bez których nie działałaby ani technika, ani kalendarz.