034 – Introducción a la seguridad en el laboratorio

La seguridad en el laboratorio es el conjunto de prácticas que hace posible el trabajo experimental. En un laboratorio de investigación, industrial o docente, cada procedimiento es precedido por una evaluación de lo que podría salir mal y por la elección de equipos y comportamientos que evitan que un incidente previsible se convierta en una lesión. Un laboratorio escolar contiene llamas abiertas, superficies calientes, instrumentos conectados a la red eléctrica, sustancias corrosivas y inflamables, y cristalería frágil, y cada uno de esos riesgos se gestiona mediante una combinación específica de tres cosas: equipo de protección usado en el cuerpo, un procedimiento seguido en un orden fijo y un dispositivo de emergencia cuya ubicación se conoce antes de necesitarlo.

Dos de esos peligros se hacen explícitos aquí, y se comportan de manera muy diferente. La llama de un mechero Bunsen libera la energía química de un hidrocarburo a una temperatura cercana a los 1500 °C y se anuncia a sí misma: es luminosa, es ruidosa y es inequívoca. Una placa calefactora a 100 °C es totalmente capaz de causar una quemadura y no anuncia absolutamente nada, debido a que una superficie no comienza a brillar en el rango visible sino hasta aproximadamente los 500 °C. La energía aún sale de la placa —como una columna ascendente de aire caliente y como radiación infrarroja cuya longitud de onda máxima se encuentra muy fuera del rango que el ojo puede detectar—, por hivyo el peligro tiene que inferirse a partir de la propia lectura del instrumento y del procedimiento en lugar de verse. Aprender a tratar una superficie sin marcar como peligrosa es el hábito más transferible de esta actividad.

En este laboratorio se pondrá el equipo de protección adecuado para la tarea, utilizará un apuntador láser para ubicar y nombrar el equipo de emergencia de la sala y luego observará las dos fuentes de calor por turnos: la llama de un mechero Bunsen y la superficie de una placa calefactora llevada a 100 °C y luego apagada. No se recopilan mediciones ni se consume ninguna sustancia. El producto del ejercicio es un conjunto de comportamientos, un vocabulario y un mapa mental de la sala, todo lo cual cada laboratorio posterior da por sentado que el estudiante ya posee.

Metas educativas

Al finalizar este laboratorio, los estudiantes podrán:

Selección y uso de equipo de protección personal

• Localice y póngase la bata de laboratorio, las gafas de seguridad y los guantes de nitrilo requeridos para una tarea determinada.
• Explique contra qué protege cada elemento y por qué los guantes de nitrilio deben cambiarse por guantes de protección térmica antes de acercarse a una fuente de calor.

Ubicación y propósito del equipo de emergencia

• Ubique el botiquín de primeros auxilios, el extintor de incendios, la regadera de emergencia, la estación de lavaojos, la alarma de incendios y el detector de humo y monóxido de carbono.
• Indique, para cada dispositivo, la situación en la que se requeriría y aquella en la que no.

Manejo seguro de fuentes de calor

• Encender y apagar un mechero Bunsen, y ajustar, leer y bajar la temperatura de una placa calefactora.
• Acérquese a una fuente de calor con las manos protegidas, brevemente y desde un lado en lugar de a través de la columna ascendente de aire caliente.

Reconocimiento de un peligro que no emite ninguna señal visual

• Explique por qué una superficie a 100 °C se ve exactamente igual que una superficie a 20 °C, y por qué la placa sigue siendo peligrosa durante más de un minuto después de que se ha bajado el punto de ajuste.
• Utilice la lectura de un instrumento, en lugar de la apariencia, como evidencia de que una superficie es segura para tocar.

Normas de laboratorio y conducta personal

• Aplicar las normas generales de la sala: cabello recogido, joyas retiradas, zapatos cerrados, bancas y pasillos despejados, manos lavadas al entrar y salir, nada ingerido, bebido, probado u olido.
• Informe cualquier rotura, derramamiento o lesión de inmediato y deje el equipo y el espacio de trabajo limpios.

Traslado a otros entornos de laboratorio

• Aplique el mismo reflejo de evaluación de riesgos en un laboratorio de una disciplina diferente, donde los peligros específicos difieren pero el método para manejarlos no.

Protocolo

Use el equipo de protección adecuado para la tarea

1. Localice y póngase la bata de laboratorio.
2. Localice y póngase las gafas de seguridad.
3. Localice y colóquese los guantes de nitrilo.

Use el puntero láser para señalar la ubicación del siguiente equipo de seguridad

1. Localice el botiquín de primeros auxilios.
2. Localice el extintor.
3. Ubique la regadera de emergencia y la estación lavaojos.
4. Localice la alarma de incendio.
5. Localice el detector de humo y monóxido de carbono.

Efecto de una fuente de calor: mechero Bunsen

1. Quítese los guantes de nitrilo.
2. Localice y póngase los guantes de protección térmica.
3. Enciende el mechero Bunsen usando el botón rojo en la base del tubo.
4. Pase rápidamente una mano por encima de la llama (¡asegúrese de usar los guantes térmicos!).
5. Apaga la hornilla.

Efecto de una fuente de calor: Placa caliente

1. Ajuste la temperatura de la placa calefactora a 100°C. Espere hasta que se alcance la temperatura.
2. Pase rápidamente una mano por encima de la placa caliente (¡asegúrese de usar los guantes térmicos!).
3. Baje la temperatura de la placa calefactora a 15 °C.

Información adicional

1. También es importante recogerse el cabello, quitarse las joyas (anillos, pulseras, etc.) y usar zapatos cerrados.
2. Despeje las mesas de trabajo y los pasillos del laboratorio de cualquier obstrucción (una mochila, por ejemplo).
3. Lávese las manos al entrar y salir del laboratorio.
4. Lea y siga el etiquetado de los productos utilizados.
5. Pida una aclaración si no está seguro acerca de un procedimiento que debe realizar o un producto que debe usar.
6. No coma, beba ni mastique chicle en el laboratorio.
7. Compórtate con calma, maneja el equipo con cuidado y presta atención a tu trabajo.
8. Evite manipular un producto inflamable cerca de un punto caliente.
9. Realice únicamente los procedimientos recetados por el profesor, la profesora, el técnico o el laboratorista.
10. No pruebe ni huela ninguna sustancia.
11. No vierta productos químicos o biológicos tóxicos en los lavabos.
12. Nunca saque equipos o sustancias del laboratorio.
13. Reporte inmediatamente cualquier rotura, derrame o lesión a la persona responsable del laboratorio.
14. Limpie el equipo y el espacio de trabajo después de los experimentos.

Resultados esperados

Este laboratorio no produce ninguna medición para calificar. Lo que produce es un conjunto de acciones correctas, y el resultado esperado es que cada una de ellas se realice sin necesidad de recordatorios: los tres elementos de equipo de protección se colocan antes de tocar cualquier otra cosa, los seis dispositivos de emergencia se encuentran y se nombran, los guantes de nitrilo se cambian por guantes térmicos antes de acercarse a cualquier fuente de calor, y el mechero se apaga y la placa se baja antes de que termine la sesión. Un estudiante que llega al final del protocolo habiendo omitido el cambio de guantes no ha completado el laboratorio, aunque la simulación le permita continuar.

Equipo de protección y por qué se especifica cada artículo. La bata de laboratorio cubre los antebrazos y la ropa debajo de ella, y es la prenda que se quita y se deja al salir del laboratorio, de modo que cualquier derrame sobre ella no se transporte hacia afuera. Las gafas de seguridad se sellan contra el rostro y protegen de una salpicadura proveniente del costado o desde arriba; las gafas comunes no lo hacen, razón por la cual el protocolo especifica gafas protectoras herméticas. Los guantes de nitrilo son una barrera contra salpicaduras químicas de aproximadamente 0.1 mm de espesor y prácticamente no ofrecen protección térmica, lo cual es precisamente la razón por la cual el protocolo indica al estudiante que se los quite antes de manipular fuentes de calor. Al tratar la capa del guante como una conducción estacionaria unidimensional, el flujo de calor que llega a la piel a través de un guante en contacto con una superficie es q = k ΔT / d. Para el nitrilo (k ≈ 0.2 W/m·K, d = 0.1 mm) contra una placa a 100 °C con la piel a 33 °C, q = 0.2 × 67 / 1.0 × 10⁻⁴ ≈ 1,3 × 10⁵ W/m²; para un guante térmico (k ≈ 0.04 W/m·K, d = 3 mm), q = 0.04 × 67 / 3.0 × 10⁻³ ≈ 9 × 10² W/m². El guante térmico reduce el flujo en un factor de aproximadamente 150, y lo hace combinando una menor conductividad con un grosor treinta veces mayor.

Por qué la llama es obvia y el plato no. Un cuerpo caliente irradia sobre un espectro continuo cuya longitud de onda máxima está determinada únicamente por su temperatura, a través de la ley de desplazamiento de Wien, λ_máximo = 2898 µm·K / T. A los 373 K de una placa mantenida a 100 °C, esto da λ_máximo = 2898 / 373 = 7.8 µm, aproximadamente catorce veces la longitud de onda más larga a la que responde el ojo; ninguna parte de la emisión se encuentra en la banda visible en cantidad detectable alguna. La incandescencia visible no comienza sino hasta unos 800 K (525 °C, el punto de Draper), y una llama de Bunsen a 1773 K está muy por encima de este. La emisión total crece como la cuarta potencia de la temperatura, por lo que el flujo neto que abandona una superficie a temperatura T hacia una habitación a T₀ = 298 K es q = σ(T⁴ − T₀⁴) con σ = 5.67 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴. Para la placa a 100 °C, q = 5.67 × 10⁻⁸ × (1.94 × 10¹⁰ − 7.89 × 10⁹) = 6.5 × 10² W/m² — aproximadamente dos tercios del flujo solar que llega al suelo al mediodía, proveniente de una superficie que parece cualquier otra. Esta es la respuesta cuantitativa a la pregunta en torno a la cual se construye el laboratorio: la placa no es menos peligrosa que la llama, solo es menos visible.

¿Qué se considera una temperatura peligrosa?. El daño en la piel depende tanto de la temperatura como de la duración conjuntamente, no de la temperatura sola, y la dependencia es drástica: cada pocos grados adicionales reduce la exposición tolerable aproximadamente por un factor de tres. Los datos clásicos sobre escaldaduras (Moritz y Henriques) proporcionan los tiempos a continuación para una quemadura de espesor total por contacto con agua caliente. Explican por qué 60 °C se considera una temperatura de superficie peligrosa en las directrices de laboratorio, y por qué la placa debe tratarse como peligrosa mucho después de haber dejado de estar en su punto de consigna.

Qué hace la lectura de la placa calefactora y qué le indica al estudiante. La placa lleva dos pantallas, Placa T° (la temperatura actual de la superficie) y Temperatura objetivo (el punto de consigna introducido). La placa sube de 56 °C a 95 °C en aproximadamente veinte segundos y luego asciende los últimos grados mucho más lentamente, lo cual es la característica de una aproximación exponencial al punto de consigna en lugar de una rampa lineal: la diferencia de temperatura restante disminuye con una constante de tiempo de unos quince segundos, por lo que los primeros treinta grados toman menos tiempo que los últimos seis. Una vez que se volvió a bajar el selector, la lectura cayó de 95 °C a 79 °C en menos de diez segundos. La enseñanza clave se encuentra en la última fila de la tabla: en el momento en que termina el protocolo, la placa todavía está a 79 °C, lo que la tabla anterior sitúa en bastante menos de un segundo de contacto tolerable.

Resumen de tareas por rango de calificaciones

Grado 9-10

Concéntrate. Reconocimiento de peligros y establecimiento de la rutina. Los estudiantes aprenden los nombres del equipo de protección y de los dispositivos de emergencia, así como el orden en que se hacen las cosas.

• Póngase la bata de laboratorio, las gafas de protección y los guantes de nitrilo, y luego enumere contra qué protege cada uno.
• Señale los seis dispositivos de emergencia y diga, en una oración cada uno, cuándo se utilizarían.
• Observe ambas fuentes de calor e indique cuál emite una advertencia y cuál no.
• Reescribe las reglas generales del laboratorio como una lista de verificación corta con sus propias palabras, e identifica qué regla habría prevenido cada uno de los tres accidentes descritos.

Undécimo grado

Concéntrate. Tratamiento cuantitativo del peligro y justificación de cada precaución en lugar de su recitación.

• Grabar el Placa T° lecturas durante el calentamiento y el enfriamiento, graficarlas en función del tiempo y describir la forma de cada curva.
• Use la tabla de umbral de quemadura para indicar cuánto tiempo después del último paso del protocolo la placa sigue siendo capaz de causar una lesión, dado el comportamiento de enfriamiento que registraron.
• Calcular λ_máximo a partir de la ley de Wien para la placa y para la llama, y explique en función del resultado por qué solo una de ellas es visible.
• Explique por qué los guantes de nitril se retiran en lugar de conservarse puestos utilizando la estimación de conducción q = k ΔT / d.

12.º grado / Nivel universitario

Concéntrate. La seguridad como gestión de riesgos: derivación y análisis cuantitativo.

• Calcule el flujo radiante neto σ(T⁴ − T₀⁴) para ambas fuentes de calor, compárelo con una estimación del flujo convectivo por encima de la placa y señale qué mecanismo predomina para una mano situada a 5 cm por encima de ella.
• Ajustar los datos de enfriamiento registrados a la ley de enfriamiento de Newton, extraer una constante de tiempo y compararla con la constante de tiempo de calentamiento; explicar la diferencia en términos físicos.
• Lleve a cabo una evaluación de riesgos por escrito del procedimiento: identifique cada peligro, el control aplicado y el riesgo residual que queda después del control.
• Identifique al menos dos puntos en los que la simulación abrevie la realidad de una manera que pueda producir una falsa sensación de seguridad, y proponga cómo debe compensarlo un profesor.

Elementos esenciales para el laboratorio

Instrumentos

• Bata de laboratorio
• Gafas de seguridad
• Guantes de nitrilo
• Guantes de protección térmica
• Apuntador láser
• mechero Bunsen (encendido con el botón rojo en la base del tubo)
• Parrilla eléctrica con perilla de temperatura y Placa T° / Temperatura objetivo lectura
• Equipo de emergencia de la sala, ubicado pero no manipulado: botiquín de primeros auxilios, extintor, regadera de emergencia, estación de lavaojos, alarma de incendio, detector de humo y monóxido de carbono

Productos

• Ninguno. En este laboratorio no se utiliza ni consume ningún producto químico o biológico; el único consumible es el gas quemado por el mechero Bunsen.