Международная сахарная шкала
Внесистемная единица · величина: содержание сахарозы по углу вращения плоскости поляризации
Раствор сахара умеет поворачивать плоскость поляризации света, и поворот этот пропорционален количеству растворённой сахарозы, так что достаточно посветить сквозь трубку и посмотреть, на сколько градусов пришлось повернуть анализатор. Открытие это принадлежит Био и сделано в 1815 году, а торговля ухватилась за него потому, что оптика отвечает на вопрос, на который не отвечает никакой ареометр: сколько в сиропе именно сахарозы, а не вообще растворённых веществ.
Отсюда и красивая пара с градусом Брикса, которым ту же пробу мерят по плотности. Брикс видит всё, что растворено, — сахарозу, инвертный сахар, соли, красящие вещества, — тогда как поляризация отзывается почти только на сахарозу, а потому разница между двумя числами и есть та примесь, за которую покупатель платить не хочет. Отношение этих чисел на заводе называют чистотой, и именно оно, а не сама сладость, определяет цену партии.
01 · Определение
Сто градусов международной сахарной шкалы отданы нормальной пробе: 26,000 грамма чистой сахарозы, растворённые до ста миллилитров и просвеченные сквозь трубку длиной двести миллиметров при двадцати градусах Цельсия. Такая проба поворачивает плоскость поляризации на 34,626 градуса, если светить жёлтой линией натрия, и вся шкала есть просто этот угол, принятый за сотню и поделённый на сто равных частей.
Способность поворачивать поляризацию называется оптической активностью и держится на том, что молекула сахарозы не совпадает со своим зеркальным отражением. Поворот пропорционален и концентрации, и длине пути в растворе, а коэффициент пропорциональности зовут удельным вращением; у сахарозы он равен плюс шестидесяти шести с половиной, причём плюс означает поворот вправо, по часовой стрелке для наблюдателя, глядящего навстречу лучу.
Оговорок при этом ровно столько же, сколько у любой условной шкалы. Удельное вращение зависит от длины волны, и потому в обозначении стоит буква D — жёлтая линия натрия, хотя современные сахариметры светят зелёной линией ртути, где сотне градусов соответствует уже 40,777 градуса поворота. Зависит оно и от температуры, и от концентрации самой пробы, так что таблицы ICUMSA расписывают поправки отдельно, а трубку держат в термостате.
Отдельная тонкость в том, что прибор считает не сахарозу, а сумму вращений всего, что в растворе есть. Пока примеси оптически неактивны, показание честно, но стоит сахарозе разложиться на глюкозу и фруктозу, как поворот падает и даже меняет знак, потому что фруктоза вращает влево сильнее, чем глюкоза вправо. Явление это называют инверсией, и на нём построен целый метод определения сахарозы по разности двух измерений.
Ползунок задаёт, сколько всего растворено в пробе, а кнопки выбирают, что именно там растворено. Ареометр с рефрактометром считают всё подряд и дают градусы Брикса, поляриметр отзывается почти только на сахарозу и даёт градусы сахарной шкалы, так что зазор между двумя полосками — это и есть несахара, за которые платить не станут.
Пока сахароза цела, поворот растёт вправо вместе с её количеством. Стоит же ей распасться, и вместо одного вещества получаются два, вращающие в разные стороны: глюкоза вправо на пятьдесят три, а фруктоза влево на девяносто два, так что сумма уходит в минус. Именно из-за смены знака явление и назвали инверсией, а на разности вращений до и после неё построен метод Клерже.
02 · Пересчёт
Введите то, что показал прибор
Внутри оптики переводы точные, поскольку градус шкалы — это просто угол, поделённый на постоянное число. Приближение начинается там, где от оптики переходят к массе: концентрацию из угла получают в граммах на миллилитр, а проценты по массе требуют плотности раствора, которую берут из таблиц.
Длину трубки можно поменять в тонких настройках листа: стандартная двести миллиметров, но для тёмных сиропов берут сто, а для очень слабых растворов четыреста.
Кварцевая контрольная пластина — вот что на самом деле хранит эту шкалу. Сахароза для эталона не годится, поскольку она гигроскопична, мутится и медленно инвертируется, а кварц вращает свет сам по себе и делает это неизменно годами, так что сахариметр поверяют не сахаром, а пластиной, аттестованной в градусах той же шкалы.
| Значение | Пояснение | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Порядки величин
удельное вращение: влево и вправо04 · Приборы измерения
Чем измеряют сахар
Прибор устроен хитро: вместо того чтобы измерять угол напрямую, он гасит поворот раствора встречным поворотом кварцевого клина, который двигают до тех пор, пока поле не станет однородным. Шкала при этом размечена сразу в градусах сахарной шкалы, а потому оператору не нужно ни считать, ни заглядывать в таблицы.
Универсальный прибор химика, у которого шкала честно размечена в угловых градусах, а источником служит натриевая лампа с той самой линией D. Им измеряют вращение любого оптически активного вещества, а не только сахара, и потому все табличные значения удельного вращения получены именно на нём.
Приборы соседней шкалы: один ловит преломление луча на границе призмы, другой просто взвешивает известный объём, и оба дают градусы Брикса, то есть сумму всего растворённого. Без них поляризация остаётся числом без знаменателя, потому что чистоту партии считают как отношение одного показания к другому.
Единственный прибор, который считает каждый сахар порознь: пробу разделяют на колонке и получают отдельные пики сахарозы, глюкозы и фруктозы. На спорных партиях и в лабораторном арбитраже верят именно ему, а поляризация остаётся в торговле потому, что даёт ответ за минуту и не требует ни реактивов, ни колонки.
05 · Правила записи
Знак вращения важнее величины
Градус шкалы пишут слитно с прописной латинской буквой, а значение отделяют пробелом. У удельного вращения знак обязателен, поскольку без него неизвестно, куда поворачивается плоскость, и в обозначении указывают длину волны и температуру: буква D отвечает за жёлтую линию натрия, а верхний индекс — за двадцать градусов Цельсия. Приравнивать градусы сахарной шкалы к градусам Брикса нельзя даже для чистого раствора: числа могут совпасть, но измеряют они разное.
Вторая запись опущена знаком, а без него величина теряет половину смысла: сахароза и фруктоза различаются не столько числом, сколько направлением. Третья ставит знак равенства между поляризацией и плотностью, тогда как совпадение чисел возможно только для чистой сахарозы и ничего не доказывает. Четвёртая же говорит о «сахаре» вообще, хотя поляриметр видит одну сахарозу, а инвертный сахар он считает с обратным знаком и потому вычитает.
06 · Соседние единицы
Ближайшая родня — градус Брикса, которым ту же пробу читают по плотности, и градус Плато, устроенный так же, только для пивного сусла. Обе шкалы отвечают на вопрос «сколько всего растворено», тогда как сахарная шкала отвечает на вопрос «сколько там именно сахарозы», а потому на заводе их всегда держат вместе.
только сахароза
все сухие вещества
чистота партии
Из паспортов Simetrium рядом стоят градус Брикса и градус Плато, шкалы ареометра °Bé / °Tw / °API, где та же плотность читается по-нефтяному, крепость спирта, куда сахар уходит после брожения, и плотность в кг/м³ как общее основание всех этих шкал.
07 · Исторический раздел
От поворота света к цене партии
Жан-Батист Био обнаружил, что плоскость поляризации поворачивают не только кристаллы, но и растворы, а величина поворота растёт с концентрацией. Химического объяснения тогда не было, зато сразу стало ясно, что оптика умеет заглядывать внутрь вещества, не разрушая пробы, и это оказалось важнее самой теории.
Карл Вентцке додумался разметить прибор не в угловых градусах, а прямо в процентах сахара, приняв за сотню поворот от определённой навески. Оператору с тех пор не требовалось ни считать, ни знать оптики: он читал число, которое можно было переписать в накладную, и сахарный завод получил свой первый настоящий измерительный прибор.
Клерже сообразил, что смена знака при распаде сахарозы — не помеха, а инструмент: если измерить пробу до инверсии и после, то разность вращений зависит от одной только сахарозы, а всё прочее в растворе сокращается. Метод двойной поляризации разом сделал показание надёжным даже для мутных заводских сиропов.
Национальные шкалы веками расходились в третьем знаке, и Международная комиссия по единым методам сахарного анализа свела их к одной, привязав сотню к нормальной пробе и к зелёной линии ртути. С тех пор биржевой контракт на сырец пишут в этих градусах, и надбавка за десятую долю градуса означает одно и то же в Лондоне и в Сан-Паулу.
Сахарную шкалу хранит кварц, а не сахар
Казалось бы, эталоном такой шкалы должна быть сама сахароза, однако для этой роли она не годится совершенно: сахароза тянет воду из воздуха, мутнеет от малейшей примеси и медленно распадается сама собой, а раствор её живёт считанные дни. Кварц же вращает плоскость поляризации в силу собственного строения, делает это неизменно годами и не требует ни навески, ни колбы, поэтому сахариметры поверяют кварцевой пластиной, аттестованной в градусах той же шкалы.
Выходит, что величина, названная по сахару и придуманная для сахарной торговли, привязана к минералу, к длине волны и к геометрии трубки, тогда как сам сахар в этой цепочке появляется только в конце, когда прибор смотрит на пробу. Такое устройство и делает её условной шкалой, а не физической постоянной: воспроизводим здесь не сахар, а согласие между приборами, и потому ICUMSA переписывает не природу, а протокол.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные величины, без которых не обходится ни наука, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи, история. На 36 языках.