034 – Einführung in die Laborsicherheit

Laborsicherheit ist die Summe der Praktiken, die experimentelles Arbeiten überhaupt erst ermöglichen. In einem Forschungs-, Industrie- oder Unterrichtslabor geht jeder Prozedur eine Beurteilung voraus, was schiefgehen könnte, sowie die Auswahl von Ausrüstung und Verhalten, die einen vorhersehbaren Zwischenfall daran hindert, zu einer Verletzung zu werden. Ein Schullabor enthält offene Flammen, heiße Oberflächen, netzbetriebene Geräte, korrosive und brennbare Substanzen sowie zerbrechliche Glaswaren, und jede dieser Gefahren wird durch eine spezifische Kombination aus drei Dingen bewältigt: am Körper getragene Schutzausrüstung, ein in einer festgelegten Reihenfolge befolgtes Verfahren und eine Notfallvorrichtung, deren Standort bekannt ist, bevor sie benötigt wird.

Zwei dieser Gefahren werden hier explizit genannt, und sie verhalten sich völlig unterschiedlich. Die Flamme eines Bunsenbrenners setzt die chemische Energie eines Kohlenwasserstoffs bei einer Temperatur von fast 1500 °C frei und macht sich bemerkbar: Sie leuchtet, sie ist laut und unmissverständlich. Eine heiße Platte bei 100 °C ist durchaus in der Lage, Verbrennungen zu verursachen, kündigt dies jedoch überhaupt nicht an, da eine Oberfläche erst ab etwa 500 °C im sichtbaren Bereich zu glühen beginnt. Die Energie verlässt die Platte dennoch – als aufsteigende Heißluftsäule und als Infrarotstrahlung, deren Wellenlängenmaximum weit außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Bereichs liegt –, sodass die Gefahr aus der Anzeige des Geräts und aus dem Vorgehen abgeleitet werden muss, anstatt sie zu sehen. Zu lernen, eine nicht gekennzeichnete Oberfläche als gefährlich zu betrachten, ist die universellste Gewohnheit bei dieser Tätigkeit.

In diesem Labor ziehen Sie die für die Aufgabe geeignete Schutzausrüstung an, verwenden einen Laserpointer, um die Notfallausrüstung des Raumes zu lokalisieren und zu benennen, und beobachten nacheinander die beiden Wärmequellen: die Flamme eines Bunsenbrenners und die Oberfläche einer auf 100 °C erhitzten und dann wieder heruntergeschalteten Heizplatte. Es werden keine Messungen durchgeführt und keine Substanzen verbraucht. Das Ergebnis der Übung ist eine Reihe von Verhaltensweisen, ein Vokabular und eine mentale Landkarte des Raumes, die in jedem späteren Labor als bereits vorhanden vorausgesetzt werden.

Bildungsziele

Am Ende dieses Labors werden die Schüler in der Lage sein:

Auswahl und Verwendung von persönlicher Schutzausrüstung

• Suchen Sie den Labormantel, die Schutzbrille und die für eine bestimmte Aufgabe erforderlichen Nitrilhandschuhe und ziehen Sie diese an.
• Erklären Sie, wogegen die einzelnen Gegenstände schützen, und warum Nitrilhandschuhe gegen Hitzeschutzhandschuhe ausgetauscht werden müssen, bevor man sich einer Wärmequelle nähert.

Standort und Zweck der Notfallausrüstung

• Suchen Sie den Erste-Hilfe-Kasten, den Feuerlöscher, die Notdusche, die Augenwaschstation, den Feuermelder sowie den Rauch- und Kohlenmonoxidmelder.
• Geben Sie für jedes Gerät die Situation an, in der es erforderlich ist, sowie die Situation, in der dies nicht der Fall ist.

Sicherer Umgang mit Wärmequellen

• Einen Bunsenbrenner anzünden und löschen sowie die Temperatur einer Heizplatte einstellen, ablesen und senken.
• Nähern Sie sich einer Wärmequelle mit geschützten Händen, nur kurz und eher von der Seite als direkt durch die aufsteigende Hitzewolke.

Erkennung einer Gefahr, die keine sichtbaren Anzeichen aufweist

• Erklären Sie, warum eine 100 °C warme Oberfläche genau so aussieht wie eine 20 °C warme Oberfläche und warum die Platte noch länger als eine Minute nach dem Herabsetzen des Sollwerts gefährlich bleibt.
• Verwenden Sie die Anzeige eines Messgeräts und nicht das äußere Erscheinungsbild als Anhaltspunkt dafür, ob eine Oberfläche sicher berührt werden kann.

Laborordnung und Verhaltensregeln

• Beachten Sie die allgemeinen Regeln für den Raum: Haare zusammengebunden, Schmuck abgelegt, geschlossene Schuhe, Bänke und Gänge frei halten, Hände beim Betreten und Verlassen waschen, nichts essen, trinken, probieren oder riechen.
• Melden Sie Beschädigungen, Verschüttungen oder Verletzungen sofort und hinterlassen Sie die Geräte und den Arbeitsplatz sauber.

Übertragung auf andere Laborumgebungen

• Wenden Sie denselben Reflex zur Risikobewertung in einem Labor einer anderen Fachrichtung an, in dem zwar die spezifischen Gefahren unterschiedlich sind, die Vorgehensweise bei deren Bewältigung jedoch dieselbe bleibt.

Protokoll

Tragen Sie die der Tätigkeit angemessene Schutzausrüstung

1. Den Laborkittel suchen und anziehen.
2. Lokalisieren und setzen Sie die Schutzbrille auf.
3. Suchen Sie die Nitrilhandschuhe und ziehen Sie sie an.

Zeigen Sie mit dem Laserpointer auf den Standort der folgenden Sicherheitsausrüstung

1. Wo ist der Erste-Hilfe-Kasten?.
2. Lokalisieren Sie den Feuerlöscher.
3. Finden Sie die Notdusche und die Augenwaschstation.
4. Finden Sie den Feueralarm.
5. Suchen Sie den Rauch- und Kohlenmonoxidmelder.

Wirkung einer Wärmequelle: Bunsenbrenner

1. Entfernen Sie die Nitrilhandschuhe.
2. Suchen Sie die thermischen Schutzhandschuhe und ziehen Sie sie an.
3. Entzünden Sie den Bunsenbrenner mit dem roten Knopf am Fuß des Rohres.
4. Halten Sie schnell eine Hand über die Flamme (stellen Sie sicher, dass Sie die Thermohandschuhe tragen!).
5. Schalte den Brenner aus.

Auswirkung einer Wärmequelle: Kochplatte

1. Stellen Sie die Temperatur der Heizplatte auf 100 °C ein. Warten Sie, bis die Temperatur erreicht ist.
2. Halte schnell eine Hand über die heiße Platte (achte darauf, die Thermohandschuhe zu tragen!).
3. Senken Sie die Heizplattentemperatur auf 15°C.

Zusätzliche Informationen

1. Es ist außerdem wichtig, die Haare zusammenzubinden, den Schmuck (Ringe, Armbänder usw.) abzulegen und geschlossene Schuhe zu tragen.
2. Räumen Sie die Labortische und Gänge von allen Hindernissen (z. B. einem Rucksack).
3. Waschen Sie sich beim Betreten und Verlassen des Labors die Hände.
4. Beachten Sie und befolgen Sie die Kennzeichnung der verwendeten Produkte.
5. Bitten Sie um Klärung, wenn Sie sich bezüglich eines durchzuführenden Verfahrens oder eines zu verwendenden Produkts unsicher sind.
6. Im Labor darf nichts gegessen, getrunken oder Kaugummi gekaut werden.
7. Verhalten Sie sich ruhig, gehen Sie vorsichtig mit Geräten um und achten Sie auf Ihre Arbeit.
8. Vermeiden Sie den Umgang mit brennbaren Produkten in der Nähe einer heißen Stelle.
9. Führen Sie nur die vom Lehrer, Ausbilder, Techniker oder Laboranten vorgeschriebenen Verfahren durch.
10. Kosten oder riechen Sie keine Substanz.
11. Gießen Sie keine giftigen chemischen oder biologischen Produkte in die Spülbecken.
12. Entnehmen Sie niemals Geräte oder Substanzen aus dem Labor.
13. Melden Sie jeden Bruch, jede Verschüttung oder jede Verletzung sofort der für das Labor zuständigen Person.
14. Reinigen Sie die Geräte und den Arbeitsbereich nach den Experimenten.

Erwartete Ergebnisse

In diesem Labor werden keine zu bewertenden Messungen durchgeführt. Vielmehr geht es um eine Reihe korrekter Handgriffe, und das erwartete Ergebnis ist, dass jeder einzelne davon ohne Aufforderung ausgeführt wird: Die drei Schutzausrüstungsgegenstände werden angelegt, bevor irgendetwas anderes berührt wird, die sechs Notfallvorrichtungen werden gefunden und benannt, die Nitrilhandschuhe werden gegen Thermohandschuhe ausgetauscht, bevor eine der beiden Wärmequellen betreten wird, und der Brenner wird ausgeschaltet und die Herdplatte heruntergedreht, bevor die Übung endet. Ein Studierender, der das Ende des Protokolls erreicht, ohne den Handschuhwechsel durchgeführt zu haben, hat das Labor nicht abgeschlossen, auch wenn die Simulation ihm erlaubt, fortzufahren.

Schutzausrüstung und warum die einzelnen Teile vorgeschrieben sind. Der Laborkittel bedeckt die Unterarme und die darunterliegende Kleidung und wird beim Verlassen des Raums ausgezogen und zurückgelassen, damit eventuelle Verschmutzungen nicht nach draußen getragen werden. Eine Schutzbrille schließt dicht am Gesicht an und schützt vor Spritzern, die von der Seite oder von oben kommen; eine normale Brille tut dies nicht, weshalb in der Arbeitsanweisung ausdrücklich eine Schutzbrille genannt wird. Nitrilhandschuhe bilden eine etwa 0,1 mm dicke Barriere gegen Chemikalienspritzer und bieten praktisch keinen Wärmeschutz – genau aus diesem Grund sieht das Protokoll vor, dass die Studierenden sie vor dem Umgang mit Wärmequellen ausziehen. Betrachtet man die Handschuhschicht als eindimensionale stationäre Wärmeleitung, so beträgt der Wärmefluss, der durch einen mit einer Oberfläche in Kontakt stehenden Handschuh auf die Haut gelangt, q = k ΔT / d. Für Nitril (k ≈ 0,2 W/m·K, d = 0,1 mm) an einer 100 °C heißen Platte bei einer Hauttemperatur von 33 °C gilt: q = 0,2 × 67 / 1,0 × 10⁻⁴ ≈ 1,3 × 10⁵ W/m²; für einen Thermohandschuh (k ≈ 0,04 W/m·K, d = 3 mm), q = 0,04 × 67 / 3,0 × 10⁻³ ≈ 9 × 10² W/m². Der Thermohandschuh reduziert den Wärmefluss um den Faktor 150, und zwar durch die Kombination einer geringeren Wärmeleitfähigkeit mit einer dreißigfachen Dicke.

Warum die Flamme offensichtlich ist und der Teller nicht. Ein heißer Körper strahlt über ein kontinuierliches Spektrum, dessen maximale Wellenlänge gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz allein durch seine Temperatur bestimmt wird, nämlich bei λ_Max = 2898 µm·K / T. Bei den 373 K einer auf 100 °C gehaltenen Platte ergibt dies λ_Max = 2898 / 373 = 7,8 µm, etwa das Vierzehnfache der längsten Wellenlänge, auf die das Auge reagiert; kein Teil der Emission fällt in nennenswerter Menge in den sichtbaren Bereich. Sichtbares Glühen beginnt erst bei etwa 800 K (525 °C, Draper-Punkt), und eine Bunsenbrennerflamme bei 1773 K liegt weit darüber. Die Gesamtemission wächst mit der vierten Potenz der Temperatur, sodass der Nettoflux, der eine Oberfläche der Temperatur T in einen Raum der Temperatur verlassen,₀ = 298 K ist q = σ(T⁴ − T₀⁴) mit σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴. Für die Platte bei 100 °C beträgt q = 5,67 × 10⁻⁸ × (1.94 × 10¹⁰ − 7,89 × 10⁹) = 6,5 × 10² W/m² — etwa zwei Drittel des Sonnenflusses, der am Mittag den Boden erreicht, von einer Oberfläche, die wie jede andere aussieht. Das ist die quantitative Antwort auf die Frage, um die das Labor herum gebaut ist: Die Platte ist nicht weniger gefährlich als die Flamme, sie ist nur weniger sichtbar.

Ab welcher Temperatur spricht man von einer gefährlichen Temperatur?. Hautschäden hängen sowohl von der Temperatur als auch von der Einwirkzeit ab, nicht von der Temperatur allein, und die Abhängigkeit ist stark: Jachseln ein paar Grad zusätzliche Hitze verringern die tolerierbare Expositionszeit um etwa den Faktor drei. Die klassischen Verbrühungsdaten (Moritz und Henriques) liefern die nachstehenden Zeiten für eine drittgradige Verbrennung durch den Kontakt mit heißem Wasser. Sie erklären, warum 60 °C in Laborrichtlinien als gefährliche Oberflächentemperatur angesehen werden und warum die Platte noch lange, nachdem sie ihren Sollwert unterschritten hat, als gefährlich eingestuft werden muss.

Was die Anzeige der Heizplatte bewirkt und was sie dem Studierenden mitteilt. Die Platte trägt zwei Displays, Temperaturplatte (die aktuelle Oberflächentemperatur) und Ziel-T° (der eingestellte Sollwert). Die Platte steigt in etwa zwanzig Sekunden von 56 °C auf 95 °C und kriecht dann die letzten paar Grad viel langsamer, was das Kennzeichen einer exponentiellen Annäherung an den Sollwert statt einer linearen Rampe ist: Die verbleibende Temperaturdifferenz klingt mit einer Zeitkonstante von etwa fünfzehn Sekunden ab, sodass die ersten dreißig Grad weniger Zeit in Anspruch nehmen als die letzten sechs. Sobald der Regler wieder heruntergedreht wurde, fiel der Messwert in weniger als zehn Sekunden von 95 °C auf 79 °C. Die Erkenntnis befindet sich in der letzten Zeile der Tabelle: In dem Moment, in dem das Protokoll endet, befindet sich die Platte immer noch bei 79 °C, was laut der vorherigen Tabelle weit unter einer Sekunde an tolerierbarem Kontakt entspricht.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

Konzentration. Gefahren erkennen und Routine aufbauen. Die Lernenden lernen die Namen der Schutzausrüstung und der Notfallgeräte sowie die Reihenfolge der Abläufe kennen.

• Ziehen Sie den Kittel, die Schutzbrille und die Nitrilhandschuhe an und zählen Sie dann auf, wogegen die einzelnen Gegenstände schützen.
• Nennen Sie die sechs Notfallgeräte und erklären Sie in jeweils einem Satz, wann sie verwendet würden.
• Beobachten Sie beide Wärmequellen und geben Sie an, welche eine Warnung ausgibt und welche nicht.
• Schreiben Sie die allgemeinen Laborregeln in eigenen Worten als kurze Checkliste um und identifizieren Sie, welche Regel jeden der drei beschriebenen Unfälle verhindert hätte.

11. Klasse

Konzentration. Quantitative Behandlung der Gefahr und Begründung jeder einzelnen Vorsichtsmaßnahme anstelle von deren bloßer Aufzählung.

• Aufnehmen Temperaturplatte Messwerte während des Aufheizens und Abkühlens aufnehmen, gegen die Zeit auftragen und die Form jeder Kurve beschreiben.
• Verwenden Sie die Verbrennungsschwellen-Tabelle, um anzugeben, wie lange nach dem letzten Protokollschritt die Platte angesichts ihres aufgezeichneten Abkühlungsverhaltens fähig bleibt, eine Verletzung zu verursachen.
• Berechne λ_Max nach dem Wienschen Gesetz für die Platte und für die Flamme, und erklären Sie anhand des Ergebnisses, warum nur eines von beiden sichtbar ist.
• Erklären Sie, warum Nitrilhandschuhe ausgezogen statt anbehalten werden, unter Verwendung der Wärmeleitungsschätzung q = k ΔT / d.

12. Klasse / College-Niveau

Konzentration. Sicherheit als Risikomanagement: Herleitung und quantitative Analyse.

• Berechne den Netto-Strahlungsfluss σ(T⁴ − T₀⁴) für beide Wärmequellen, vergleichen Sie diesen mit einer Schätzung des konvektiven Wärmestroms über der Platte und geben Sie an, welcher Mechanismus für eine Hand dominiert, die sich 5 cm darüber befindet.
• Passen Sie die aufgezeichneten Abkühlungsdaten an das Newtonsche Abkühlungsgesetz an, extrahieren Sie eine Zeitkonstante und vergleichen Sie diese mit der Aufheizzeitkonstante; erklären Sie den Unterschied in physikalischen Begriffen.
• Führen Sie eine schriftliche Gefährdungsbeurteilung für das Verfahren durch: Identifizieren Sie jede Gefährdung, die darauf angewendete Schutzmaßnahme und das Restrisiko, das nach der Schutzmaßnahme verbleibt.
• Identifizieren Sie mindestens zwei Punkte, an denen die Simulation die Realität auf eine Weise abkürzt, die ein falsches Sicherheitsgefühl erzeugen könnte, und schlagen Sie vor, wie eine Lehrkraft dies kompensieren sollte.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Labormantel
• Schutzbrille
• Nitrilhandschuhe
• Hitzeschutzhandschuhe
• Laserpointer
• Bunsenbrenner (zündet mit dem roten Knopf am Fuß des Rohrs)
• Heizplatte mit Temperaturregler und einer Temperaturplatte / Ziel-T° Auslesung
• Notfallausrüstung des Raumes, vorhanden aber nicht bedient: Erste-Hilfe-Kasten, Feuerlöscher, Notdusche, Augendusche, Feuermelder, Rauch- und Kohlenmonoxidmelder

Produkte

• Keine. In diesem Labor wird kein chemisches oder biologisches Produkt verwendet oder verbraucht; das einzige Verbrauchsmaterial ist das vom Bunsenbrenner verbrannte Gas.