Bezpečnost v laboratoři je soubor postupů, díky nimž je experimentální práce vůbec možná. Ve výzkumné, průmyslové nebo výukové laboratoři předchází každému postupu posouzení toho, co by se mohlo pokazit, a výběr vybavení a chování, které zabrání tomu, aby se předvídatelný incident změnil ve zranění. Školní laboratoř obsahuje otevřený plamen, horké povrchy, přístroje napájené ze sítě, žíravé a hořlavé látky a křehké sklo a každé z těchto rizik je řízeno specifickou kombinací tří věcí: ochranného vybavení nošeného na těle, postupu dodržovaného v pevném pořadí a nouzového zařízení, jehož umístění je známo dříve, než je potřeba.
Dva z těchto rizik jsou zde výslovně uvedeny a chovají se velmi odlišně. Plamen Bunsenova kahanu uvolňuje chemickou energii uhlovodíku při teplotě okolo 1500 °C a dává o sobě vědět: je svítivý, hlučný a jednoznačný. Plotýnka o teplotě 100 °C je plně schopná způsobit popáleninu a nedává o sobě vědět vůbec, protože povrch nezačne ve viditelném spektru žhnout dříve než zhruba při 500 °C. Energie přesto z plotýnky odchází – jako stoupající sloupec horkého vzduchu a jako infračervené záření, jehož vlnová délka leží daleko za hranicí toho, co lidské oko dokáže detekovat –, takže riziko je nutné odvodit z údajů na přístroji a z pracovního postupu, nikoliv jej vidět. Naučit se vnímat neoznačený povrch jako nebezpečný je tím nejlépe přenositelným návykem v této činnosti.
V této laboratoři si obléknete ochranné pomůcky vhodné pro danou úkol, pomocí laserového ukazovátka vyhledáte a pojmenujete nouzové vybavení místnosti a poté postupně zpozorujete dva zdroje tepla: plamen Bunsenova kahance a povrch plotýnky zahřáté na 100 °C a následně opět ztlumené. Nejsou sbírána žádná měření ani spotřebovávány žádné látky. Výsledkem cvičení je soubor chování, slovní zásoba a mentální mapa místnosti, přičemž každá následující laboratoř předpokládá, že student toto vše již ovládá.
Vzdělávací cíle
Na konci tohoto laboratorního cvičení budou studenti schopni:
Výběr a používání osobních ochranných prostředků
- Vyhledejte a oblečte si laboratorní plášť, ochranné brýle a nitrilové rukavice potřebné pro daný úkol.
- Vysvětlete, proti čemu jednotlivé položky chrání a proč je nutné nitrilové rukavice vyměnit za tepelně ochranné rukavice před přiblížením se ke zdroji tepla.
Umístění a účel nouzového vybavení
- Najděte lékárničku, hasicí přístroj, nouzovou sprchu, výplach očí, požární hlásič a detektor kouře a oxidu uhelnatého.
- U každého zařízení uveďte situaci, pro kterou je určeno, a situaci, pro kterou není.
Bezpečné zacházení se zdroji tepla
- Zapalte a zhasněte Bunsenův kahan a nastavte, odečtěte a snižte teplotu plotýnky.
- Přibližte se k tepelnému zdroji s chráněnýma rukama, krátce a ze strany namísto skrze stoupající sloupec horkého vzduchu.
Rozpoznání nebezpečí, které nevydává žádný vizuální signál
- Vysvětlete, proč povrch o teplotě 100 °C vypadá úplně stejně jako povrch o teplotě 20 °C a proč deska zůstává nebezpečná ještě více než minutu poté, co byla nastavená teplota snížena.
- Jako důkaz toho, že je povrch bezpečný na dotek, se řiďte spíše údajem na přístroji než jeho vzhledem.
Laboratorní řád a osobní chování
- Dodržujte obecná pravidla platná v místnosti: vlasy svázané dozadu, šperky sundané, uzavřená obuv, lavice a uličky volné, umyté ruce při vstupu i odchodu, žádné jídlo, pití, ochutnávání ani čichání.
- Jakékoli poškození, rozlití nebo úraz ihned nahlaste a zanechte zařízení i pracovní prostor v čistém stavu.
Přenést do jiného laboratorního prostředí
- Stejný přístup k posuzování rizik uplatněte i v laboratoři jiného oboru, kde se sice konkrétní rizika liší, ale způsob jejich řízení zůstává stejný.
Protokol
Použijte ochranné pomůcky vhodné pro danou činnost
- Najděte a oblékněte si laboratorní plášť.
- Najděte si ochranné brýle a nasaďte si je.
- Najděte a nasaďte si nitrilové rukavice.
Použijte laserový ukazovátko k označení umístění následujícího bezpečnostního vybavení
- Najděte lékárničku.
- Najděte hasicí přístroj.
- Vyhledejte nouzovou sprchu a oplachovací stanici očí.
- Najděte detektor požáru.
- Najděte detektor kouře a oxidu uhelnatého.
Vliv zdroje tepla: Bunsenův kahan
- Sundejte si nitrilové rukavice.
- Najděte a nasaďte si tepelně ochranné rukavice.
- Zapalte.
- Rychle protáhněte jednu ruku nad plamenem (ujistěte se, že máte nasazené termo rukavice!).
- Vypni hořák.
Účinek zdroje tepla: Horká plotýnka
- Nastavte teplotu topné desky na 100 °C. Počkejte, až bude teploty dosaženo.
- Rychle přiložte jednu ruku nad horkou plotnu (nezapomeňte mít na sobě termo rukavice!).
- Snižte teplotu plotýnky na 15 °C.
Dodatečné informace
- Také je důležité si svázat vlasy, sundat šperky (prsteny, náramky atd.) a nosit uzavřenou obuv.
- Uklidte laboratorní stoly a chodby od jakýchkoli překážek (například batoh).
- Umyjte si ruce při vstupu a odchodu z laboratoře.
- Přečtěte si a dodržujte označení použitých produktů.
- Požádejte o vysvětlení, pokud si nejste jisti postupem, který máte provést, nebo produktem, který máte použít.
- V laboratoři nejezte, nepijte a nechejte žvýkačku.
- Chovejte se klidně, zacházejte s vybavením opatrně a věnujte pozornost své práci.
- Vyvarujte se manipulaci s hořlavým výrobkem v blízkosti horkého místa.
- Provádějte pouze postupy předepsané vyučujícím, učitelem, technikem nebo laborantem.
- Nepřibližujte k sobě žádnou látku, neochutnávejte ani nečichejte.
- Do dřezů nelijte toxické chemické ani biologické produkty.
- Nikdy nevynášejte vybavení nebo látky z laboratoře.
- Okamžitě nahlaste jakékoli rozbití, rozlití nebo zranění osobě zodpovědné za laboratoř.
- Po skončení experimentů očistěte vybavení i pracovní prostor.
Předvídané výsledky
Tato laboratoř nevytváří žádné měření, které by se dalo ohodnotit. To, co vytváří, je soubor správných úkonů, přičemž očekávaným výsledkem je, že každý z nich bude proveden bez vyzvání: tři kusy ochranných pomůcek se nasadí dříve, než se cokoliv jiného dotkne, šest nouzových zařízení se najde a pojmenuje, nitrilové rukavice se vymění za tepelné rukavice, než se přistoupí k některému ze zdrojů tepla, a hořák se vypne a plotýnka se stáhne před koncem relace. Student, který dospěje ke konci protokolu a vynechá výměnu rukavic, laboratoř dokončil není, přestože ho simulace nechá pokračovat.
Ochranné pomůcky a důvod, proč je každá z nich předepsána. Laboratorní plášť zakrývá předloktí i oděv pod ním a při opuštění místnosti se svléká a nechává na místě, aby se na něj rozlité látky nedostaly ven. Ochranné brýle těsně přiléhají k obličeji a chrání před postříkáním přicházejícím z boku nebo shora; běžné ochranné brýle tuto funkci nemají, a proto protokol výslovně uvádí ochranné brýle. Nitrilové rukavice představují bariéru proti rozstřikům chemikálií o tloušťce přibližně 0,1 mm a prakticky neposkytují žádnou tepelnou ochranu – právě proto protokol vyžaduje, aby si je student sundal před přiblížením k tepelným zdrojům. Pokud budeme vrstvu rukavice považovat za jednorozměrný stacionární tepelný tok, je tepelný tok dosahující k pokožce přes rukavici v kontaktu s povrchem q = k ΔT / d. Pro nitril (k ≈ 0,2 W/m·K, d = 0,1 mm) v kontaktu s deskou o teplotě 100 °C a pokožkou o teplotě 33 °C platí q = 0,2 × 67 / 1,0 × 10−4 ≈ 1,3 × 105 W/m2; pro tepelnou rukavici (k ≈ 0,04 W/m·K, d = 3 mm), q = 0,04 × 67 / 3,0 × 10−3 ≈ 9 × 102 W/m2. Tepelná rukavice snižuje tepelný tok přibližně 150krát, a to díky kombinaci nižší tepelné vodivosti a třicetinásobné tloušťky.
| Nouzové zařízení | K čemu to je | K čemu to není určeno |
|---|---|---|
| Lékárnička | Drobné řezné rány a malé popáleniny, po odstranění nebezpečí | Jakékoliv zranění, které bylo nahlášeno, ale osobou odpovědnou ještě nebylo zkontrolováno |
| Hasicí přístroj | Malý, lokalizovaný požár na lavičce, uhašený vyškolenou osobou ze strany vchodu | Pokud hoří člověk nebo se oheň již šíří – spusťte poplach a proveďte evakuaci |
| Nouzová sprcha | Chemická látka vylitá na tělo nebo oblečení a hořící oblečení | Zásahy pouze do očí |
| Stanice pro výplach očí | Jakákoli látka v oku, vyplachovaná po delší dobu s rozevřenými víčky | Rychlé opláchnutí, což je nejčastější chyba |
| Požární poplach | Upozornění obyvatel budovy a zahájení evakuace | Rozlití nebo zranění bez požáru |
| Hlásič kouře a oxidu uhelnatého | Detekce produktů spalování, včetně plynu, který nemá barvu, zápach ani chuť | Detekce chemických par nebo úniku nespáleného plynu |
Proč je plamen vidět a talíř nikoliv. Žhavé těleso vyzařuje v rámci spojitého spektra, jehož vlnová délka maxima je určena výhradně jeho teplotou prostřednictvím Wienova posunovacího zákona, λmax = 2898 µm·K / T. Při teplotě 373 K desky udržované na 100 °C to dává λmax = 2898 / 373 = 7,8 µm, což je zhruba čtrnáctinásobek nejdelší vlnové délky, na kterou lidské oko reaguje; žádná část emise nesadá do viditelného pásma v žádném detekovatelném množství. Viditelná inkandescence začíná až kolem 800 K (525 °C, Draperův bod) a Bunsenův kahan při 1773 K je vysoko nad ní. Celková emise roste s čtvrtou mocninou teploty, takže čistý tok opouštějící povrch o teplotě T do místnosti o teplotě T0 = 298 K je q = σ(T4 − T04) se σ = 5,67 × 10−8 W/m2·K4. Pro desku při teplotě 100 °C je q = 5,67 × 10−8 × (1.94 × 1010 − 7,89 × 109) = 6,5 × 102 W/m2 —asi dvě třetiny slunečního toku dopadajícího na zem v poledne, z povrchu, který vypadá jako každý jiný. To je kvantitativní odpověď na otázku, kolem níž je laboratoř vybudována: deska není o nic méně nebezpečná než plamen, je pouze méně viditelná.
| Zdroj | Teplota | λmax (Vídeň) | Čistý sálavý tok do místnosti o teplotě 25 °C | Viditelné? |
|---|---|---|---|---|
| Ohřívací deska, snížená žádaná hodnota | 60 °C (333 K) | 8,7 µm | 2.5 × 102 W/m2 | Ne |
| Ploténka, nastavená hodnota protokolu | 100 °C (373 K) | 7,8 µm | 6.5 × 102 W/m2 | Ne |
| Počátek žhnutí (Draperův bod) | 525 °C (798 K) | 3,6 µm | 2.3 × 104 W/m2 | Slabě červená |
| plamen Bunsenova kahanu | ≈ 1500 °C (1773 K) | 1,6 µm | 5.6 × 105 W/m2 | Ano |
Co se považuje za nebezpečnou teplotu. Poškození kůže závisí na teplotě a době působení společně, nikoliv pouze na teplotě, a tato závislost je strmá: každých několik stupňů navíc zkracuje snesitelnou dobu expozice zhruba na třetinu. Klasická data o opařeních (Moritz a Henriques) uvádějí níže uvedené časy pro popáleninu plné tloušťky při kontaktu s horkou vodou. Vysvětlují, proč je 60 °C v laboratorních pokynech považováno za nebezpečnou teplotu povrchu a proč je třeba s deskou zacházet jako s nebezpečnou ještě dlouho poté, co přestala mít nastavenou teplotu.
| Kontaktní teplota | Odhadovaná doba expozice pro popáleninu plného rozsahu |
|---|---|
| 48 °C | 5 minut |
| 51 °C | 2 minuty |
| 55 °C | 17 sekund |
| 60 °C | 5 sekund |
| 65 °C | 2 sekundy |
| 70 °C | pod 1 sekundu |
Co displej plotýnky ukazuje a co studentovi sděluje. Deska nese dva displeje, Teplotní deska (aktuální povrchová teplota) a Cílová teplota (zadaná hodnota). Deska se zahřeje z 56 °C na 95 °C přibližně za dvacet sekund a pak zbývající stupně stoupala mnohem pomaleji, což je příznakem exponenciálního přibližování k nastavené hodnotě namísto lineárního nárůstu: zbývající teplotní rozdíl klesá s časovou konstantou přibližně patnáct sekund, takže prvních třicet stupňů trvá méně času než posledních šest. Jakmile byl knoflík otočen zpět dolů, hodnota klesla z 95 °C na 79 °C za necelých deset sekund. Poučení je v posledním řádku tabulky: v okamžiku, kdy protokol končí, je deska stále na 79 °C, což předchozí tabulka řadí do doby hluboko pod jednu sekundu snesitelného kontaktu.
| Místo v postupu | Teplotní deska | Cílová teplota | Fáze |
|---|---|---|---|
| Krátce po zadání žádané hodnoty | 56 °C | 101 °C | Vytápění |
| Asi o 14 s později | 82 °C | 101 °C | Vytápění |
| Asi 20 s po dosažení žádané hodnoty | 94 °C | 101 °C | Zahřívání, zpomalování |
| Ruka přešla nad talířem | 95 °C | 101 °C | Blízko žádané hodnoty |
| Otočení ovladače dolů | 93 °C | 62 °C | Žádaná hodnota klesá |
| Několik vteřin poté | 89 °C | Sníženo | Chlazení |
| Konec protokolu | 79 °C | Sníženo | Chladnutí, stále nebezpečné |
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9. až 10. ročník
Soustřeď se. Rozpoznání nebezpečí a budování návyku. Studenti se učí názvy ochranných pomůcek a nouzových zařízení a pořadí, ve kterém se věci provádějí.
- Oblékněte si laboratorní plášť, ochranné brýle a nitrilové rukavice a poté uveďte, před čím každá z těchto pomůcek chrání.
- Uveďte šest nouzových zařízení a u každého napište v jedné větě, kdy se používá.
- Pozorujte oba zdroje tepla a uveďte, který z nich dává varování a který ne.
- Přepište obecná laboratorní pravidla jako krátký kontrolní seznam vlastními slovy a určete, kterému pravidlu by každá ze tří popsaných nehod předešla.
11. ročník
Soustřeď se. Kvantitativní ošetření rizika a odůvodnění každého preventivního opatření namísto jeho pouhého odříkávání.
- Zaznamenat Teplotní deska naměřené hodnoty během ohřevu a chlazení, vyneste je proti času a popište tvar každé křivky.
- Použijte tabulku prahu popálení k určení, jak dlouho po posledním kroku protokolu zůstává destička schopna způsobit zranění, vzhledem k zaznamenanému chování při chlazení.
- Vypočítejte λmax z Wienova zákona pro desku a pro plamen a vysvětlete na základě tohoto výsledku, proč je viditelný pouze jeden z nich.
- Vysvětlete, proč se nitrilové rukavice sundávají a nenechávají se na rukou, pomocí odhadu vedení tepla $q = k \Delta T / d$.
12. ročník / Úroveň college
Soustřeď se. Bezpečnost jako řízení rizik: odvození a kvantitativní analýza.
- Vypočítejte čistý radiační tok σ(T4 − T04) pro oba zdroje tepla, porovnejte jej s odhadem konvektivního toku nad deskou a uveďte, který mechanismus převládá pro ruku drženou 5 cm nad ní.
- Proložte naměřená data chlazení Newtonovým zákonem chlazení, extrahujte časovou konstantu a porovnejte ji s časovou konstantou ohřevu; vysvětlete rozdíl z fyzikálního hlediska.
- Proveďte písemné hodnocení rizik daného postupu: identifikujte každé nebezpečí, opatření uplatněné k jeho eliminaci a zbytkové riziko, které po uplatnění opatření zůstává.
- Identifikujte alespoň dva body, v nichž simulace zjednodušuje realitu způsobem, který by mohl vyvolat falešný pocit bezpečí, a navrhněte, jak by to měl učitel kompenzovat.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Laboratorní plášť
- Ochranné brýle
- Nitrilové rukavice
- Tepelně ochranné rukavice
- Laserové ukazovátko
- Bunsenův kahan (rozsvěcuje se červeným tlačítkem na základně trubice)
- Topná deska s regulací teploty a Teplotní deska / Cílová teplota výpis
- Nouzové vybavení místnosti (nacházející se na místě, ale neobsluhované): lékárnička, hasicí přístroj, nouzová sprcha, oční výplach, požární hlásič, detektor kouře a oxidu uhelnatého
Produkty
- Žádný. V této laboratoři se nepoužívá ani nespotřebovává žádný chemický ani biologický produkt; jediným spotřebním materiálem je plyn spalovaný v Bunsenově kahanu.