034 – Introduction à la sécurité en laboratoire

La sécurité en laboratoire est l'ensemble des pratiques qui rendent le travail expérimental possible. Dans un laboratoire de recherche, industriel ou d'enseignement, chaque procédure est précédée d'une évaluation de ce qui pourrait mal tourner, et par le choix d'équipement et de comportement qui empêche un incident prévisible de se transformer en blessure. Un laboratoire scolaire contient des flammes nues, des surfaces chaudes, des instruments alimentés par le secteur, des substances corrosives et inflammables ainsi que de la verrerie fragile, et chacun de ces dangers est géré par une combinaison spécifique de trois éléments : un équipement de protection porté sur le corps, une procédure suivie dans un ordre fixe, et un dispositif d'urgence dont l'emplacement est connu avant d'être nécessaire.

Deux de ces dangers sont explicités ici, et ils se comportent de manière très différente. La flamme d'un bec Bunsen libère l'énergie chimique d'un hydrocarbure à une température proche de 1 500 °C et se signale d'elle-même : elle est lumineuse, bruyante et sans équivoque. Une plaque chauffante à 100 °C est tout à fait capable de provoquer une brûlure et ne signale rien du tout, car une surface ne commence à luire dans le spectre visible qu'aux alentours de 500 °C. L'énergie continue pourtant de quitter la plaque — sous forme d'une colonne montante d'air chaud et de rayonnement infrarouge dont la longueur d'onde maximale se situe bien au-delà de ce que l'œil peut détecter — de sorte que le danger doit être déduit de l'affichage de l'instrument et de la procédure plutôt que d'être vu. Apprendre à traiter une surface non marquée comme dangereuse est l'habitude la plus transférable de toute cette activité.

Dans ce laboratoire, vous mettrez l'équipement de protection approprié à la tâche, utiliserez un pointeur laser pour localiser et nommer l'équipement d'urgence de la salle, puis observerez tour à tour les deux sources de chaleur : la flamme d'un bec bunsen et la surface d'une plaque chauffante portée à 100 °C puis éteinte. Aucune mesure n'est recueillie et aucune substance n'est consommée. Le produit de l'exercice est un ensemble de comportements, un vocabulaire et une carte mentale de la salle, que tout laboratoire ultérieur suppose que l'étudiant possède déjà.

Objectifs Éducatifs

À la fin de ce laboratoire, les étudiants seront capables de :

Sélection et utilisation des équipements de protection individuelle

• Trouvez et enfilez la blouse de laboratoire, les lunettes de protection et les gants en nitrile requis pour une tâche donnée.
• Expliquez ce que chaque article protège et pourquoi les gants en nitrile doivent être remplacés par des gants de protection thermique avant d'approcher une source de chaleur.

Emplacement et utilité des équipements d'urgence

• Repérez la trousse de premiers secours, l'extincteur, la douche d'urgence, la rince-œil, l'alarme incendie et le détecteur de fumée et de monoxyde de carbone.
• Indiquez, pour chaque appareil, la situation qui le nécessiterait et celle qui ne le nécessiterait pas.

Manipulation sécurisée des sources de chaleur

• Allumer et éteindre un bec verseur de Bunsen, et régler, lire et abaisser la température d'une plaque chauffante.
• Approchez-vous d'une source de chaleur les mains protégées, brièvement et par le côté plutôt qu'à travers le panache d'air chaud ascendant.

Reconnaissance d'un danger qui ne donne aucun signal visuel

• Expliquez pourquoi une surface à 100 °C a exactement l'aspect d'une surface à 20 °C, et pourquoi la plaque reste dangereuse pendant plus d'une minute après que la consigne a été abaissée.
• Utilisez la lecture d'un instrument plutôt que l'apparence comme preuve qu'une surface peut être touchée sans danger.

Règlement de laboratoire et conduite personnelle

• Appliquez les règles générales de la salle : cheveux attachés, bijoux retirés, chaussures fermées, bancs et allées dégagés, mains lavées en entrant et en sortant, rien ne doit être mangé, bu, goûté ou senti.
• Signalez immédiatement toute casse, tout déversement ou toute blessure, et laissez l'équipement et l'espace de travail propres.

Transférer vers d'autres environnements de laboratoire

• Appliquez le même réflexe d'évaluation des risques dans un laboratoire d'une autre discipline, où les dangers spécifiques diffèrent mais pas la méthode pour les gérer.

Protocole

Portez l'équipement de protection approprié à la tâche

1. Localisez et enfilez la blouse de laboratoire.
2. Localisez et mettez les lunettes de protection.
3. Localisez et enfilez les gants en nitrile.

Utilisez le pointeur laser pour indiquer l'emplacement de l'équipement de sécurité suivant

1. Trouvez la trousse de premiers soins.
2. Trouvez l'extincteur.
3. Localisez la douche de sécurité et la station de lavage oculaire.
4. Localiser l'alarme incendie.
5. Localisez le détecteur de fumée et de monoxyde de carbone.

Effet d'une source de chaleur : Bec Bunsen

1. Retirer les gants en nitrile.
2. Localiser et mettre les gants de protection thermique.
3. Allumer le bec Bunsen à l'aide du bouton rouge situé à la base du tube.
4. Passez rapidement une main au-dessus de la flamme (assurez-vous de porter les gants thermiques !).
5. Éteins la cuisinière.

Effet d'une source de chaleur : Plaque chauffante

1. Réglez la température de la plaque chauffante à 100°C. Attendez que la température soit atteinte.
2. Passez rapidement une main au-dessus de la plaque chauffante (assurez-vous de porter les gants thermiques !).
3. Baisser la température de la plaque chauffante à 15°C.

Informations complémentaires

1. Il est également important de vous attacher les cheveux, de retirer vos bijoux (bagues, bracelets, etc.) et de porter des chaussures fermées.
2. Dégagez les paillasses et les allées de tout obstacle (un sac à dos, par exemple).
3. Lavez-vous les mains en entrant et en sortant du laboratoire.
4. Lire et suivre l'étiquetage des produits utilisés.
5. Demandez des éclaircissements si vous n'êtes pas sûr d'une procédure à suivre ou d'un produit à utiliser.
6. Ne pas manger, boire ou mâcher de chewing-gum dans le laboratoire.
7. Comportez-vous calmement, manipulez le matériel avec soin et soyez attentif à votre travail.
8. Ne pas manipuler de produit inflammable à proximité d'une source de chaleur.
9. N'effectuez que les procédures prescrites par le professeur, le maître, le technicien ou le technicien de laboratoire.
10. Ne pas goûter ni sentir de substance.
11. Ne versez pas de produits chimiques ou biologiques toxiques dans les éviers.
12. Ne jamais sortir de matériel ou de substances du laboratoire.
13. Signalez immédiatement toute casse, tout déversement ou toute blessure à la personne responsable du laboratoire.
14. Nettoyer le matériel et l'espace de travail après les expériences.

Résultats attendus

Ce laboratoire ne produit aucune mesure à consigner. Ce qu'il produit, c'est un ensemble d'actions correctes, et le résultat attendu est que chacune d'elles soit exécutée sans qu'on le rappelle : les trois équipements de protection sont enfilés avant qu'on ne touche à quoi que ce soit d'autre, les six dispositifs d'urgence sont trouvés et nommés, les gants en nitrile sont remplacés par des gants thermiques avant d'approcher l'une ou l'autre source de chaleur, et le bec bunsen est éteint et la plaque chauffante baissée avant la fin de la séance. Un étudiant qui arrive à la fin du protocole en ayant omis le changement de gants n'a pas terminé le laboratoire, même si la simulation lui permet de continuer.

Équipement de protection et pourquoi chaque article est spécifié. La blouse de laboratoire couvre les avant-bras et les vêtements qu'elle recouvre et constitue l'article retiré et laissé sur place lors de la sortie de la pièce, de sorte que tout ce qui y est renversé n'est pas emporté à l'extérieur. Les lunettes étanches s'ajustent hermétiquement au visage et protègent contre une éclaboussure provenant du côté ou du dessus ; les lunettes de sécurité ordinaires ne le font pas, c'est pourquoi le protocole spécifie des lunettes étanches. Les gants en nitrile constituent une barrière contre les éclaboussures chimiques d'environ 0,1 mm d'épaisseur et n'offrent pratiquement aucune protection thermique — c'est précisément la raison pour laquelle le protocole demande à l'étudiant de les retirer avant d'utiliser les sources de chaleur. En traitant la couche de gants comme une conduction stationnaire unidimensionnelle, le flux thermique atteignant la peau à travers un gant en contact avec une surface est q = k ΔT / d. Pour le nitrile (k ≈ 0,2 W/m·K, d = 0,1 mm) contre une plaque à 100 °C avec la peau à 33 °C, q = 0,2 × 67 / 1,0 × 10⁻⁴ ≈ 1,3 × 10⁵ W/m²; pour un gant thermique (k ≈ 0,04 W/m·K, d = 3 mm), q = 0,04 × 67 / 3,0 × 10⁻³ ≈ 9 × 10² W/m². Le gant thermique réduit le flux d'un facteur d'environ 150, et ce en combinant une conductivité plus faible avec une épaisseur trente fois plus grande.

Pourquoi la flamme est évidente et l'assiette ne l'est pas. Un corps chaud rayonne sur un spectre continu dont la longueur d'onde de crête est déterminée par sa seule température, par la loi de déplacement de Wien, λ_max = 2898 µm·K / T. À 373 K pour une plaque maintenue à 100 °C, cela donne λ_max = 2898 / 373 = 7,8 µm, soit environ quatorze fois la plus longue longueur d'onde à laquelle l'œil réagit ; aucune partie de l'émission ne se situe dans la bande visible en quantité détectable. L'incandescence visible ne commence qu'aux alentours de 800 K (525 °C, le point de Draper), et une flamme de Bunsen à 1773 K se situe bien au-delà. L'émission totale croît comme la quatrième puissance de la température, de sorte que le flux net quittant une surface à la température T dans une pièce à la température T₀ = 298 K est q = σ(T⁴ - T₀⁴) avec σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/m²·K⁴. Pour la plaque à 100 °C, q = 5,67 × 10⁻⁸ × (1.94 × 10¹⁰ − 7,89 × 10⁹) = 6,5 × 10² W/m² — environ les deux tiers du flux solaire atteignant le sol à midi, provenant d'une surface qui ressemble à n'importe quelle autre. C'est la réponse quantitative à la question autour de laquelle le laboratoire est construit : la plaque n'est pas moins dangereuse que la flamme, elle est seulement moins visible.

À partir de quelle température peut-on parler de température dangereuse ?. Les dommages cutanés dépendent à la fois de la température et de la durée, et non de la température seule, et cette dépendance est forte : chaque augmentation de quelques degrés réduit le temps d'exposition tolérable d'un facteur d'environ trois. Les données classiques sur les brûlures (Moritz et Henriques) donnent les durées ci-dessous pour une brûlure sur toute l'épaisseur de la peau causée par un contact avec de l'eau chaude. Elles expliquent pourquoi 60 °C est considéré comme une température de surface dangereuse dans les directives de laboratoire, et pourquoi la plaque doit être considérée comme dangereuse bien après qu'elle a cessé d'être à sa température de consigne.

Ce que l'affichage de la plaque chauffante indique, et ce qu'il transmet à l'étudiant. La plaque comporte deux écrans, Plaque chauffante (la température de surface actuelle) et T° cible (la consigne affichée). La plaque passe de 56 °C à 95 °C en environ vingt secondes, puis progresse beaucoup plus lentement sur les derniers degrés, ce qui est la signature d'une approche exponentielle de la consigne plutôt que d'une rampe linéaire : la différence de température restante décroît avec une constante de temps d'environ quinze secondes, de sorte que les trente premiers degrés prennent moins de temps que les six derniers. Une fois la molette abaissée, la lecture est passée de 95 °C à 79 °C en moins de dix secondes. Le point pédagogique se trouve dans la dernière ligne du tableau : au moment où le protocole se termine, la plaque est encore à 79 °C, ce que le tableau précédent situe à bien moins d'une seconde de contact tolérable.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

Concentration. Identifier les risques et mettre en place une routine. Les élèves apprennent les noms des équipements de protection et des dispositifs d'urgence, ainsi que l'ordre dans lequel les opérations doivent être effectuées.

• Enfilez la blouse de laboratoire, les lunettes de protection et les gants en nitrile, puis dressez la liste des risques contre lesquels chacun de ces équipements protège.
• Indiquez les six dispositifs d'urgence et expliquez, en une phrase pour chacun, dans quelles circonstances ils seraient utilisés.
• Observez les deux sources de chaleur et indiquez laquelle déclenche une alerte et laquelle n'en déclenche pas.
• Réécrivez les règles générales du laboratoire sous la forme d'une brève liste de contrôle, en utilisant vos propres mots, et identifiez quelle règle aurait permis d'éviter chacun des trois accidents décrits.

11e année

Concentration. Une analyse quantitative du risque, ainsi qu'une justification de chaque mesure de précaution plutôt qu'une simple énumération de celles-ci.

• Enregistrez le Plaque chauffante Relever les valeurs mesurées pendant les phases de chauffage et de refroidissement, les représenter graphiquement en fonction du temps et décrire la forme de chaque courbe.
• Utilisez le tableau des seuils de brûlure pour indiquer pendant combien de temps, après la dernière étape du protocole, la plaque reste susceptible de provoquer une lésion, compte tenu du comportement de refroidissement qu’ils ont enregistré.
• Calculer λ_max à partir de la loi de Wien pour la plaque et pour la flamme, et expliquez, à la lumière de ce résultat, pourquoi seule l'une d'entre elles est visible.
• Expliquez pourquoi on retire les gants en nitrile plutôt que de les garder, en utilisant l'estimation de la conduction q = k ΔT / d.

12e année / Niveau universitaire

Concentration. La sécurité en tant que gestion des risques : dérivation et analyse quantitative.

• Calculer le flux radiant net σ(T⁴ - T₀⁴) pour les deux sources de chaleur, comparez ce résultat à une estimation du flux convectif au-dessus de la plaque, puis indiquez quel mécanisme prédomine lorsqu'on tient la main à 5 cm au-dessus de celle-ci.
• Ajustez les données de refroidissement enregistrées à la loi de refroidissement de Newton, déterminez une constante de temps et comparez-la à la constante de temps de chauffage ; expliquez cette différence en termes physiques.
• Réalisez une évaluation des risques par écrit de la procédure : identifiez chaque danger, la mesure de maîtrise appliquée à celui-ci et le risque résiduel qui subsiste après la mesure de maîtrise.
• Identifiez au moins deux points où la simulation simplifie la réalité d'une manière qui pourrait produire un faux sentiment de sécurité, et proposez la manière dont un enseignant devrait compenser.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Blouse de laboratoire
• Lunettes de protection
• Gants en nitrile
• Gants de protection thermique
• Pointeur laser
• Bec Bunsen (allumé avec le bouton rouge à la base du tube)
• Plaque chauffante avec un bouton de réglage de la température et un Plaque chauffante / T° cible compte rendu
• Équipement d'urgence de la salle, repéré mais non manipulé : trousse de premiers secours, extincteur, douche de sécurité, rince-œil, alarme incendie, détecteur de fumée et de monoxyde de carbone

Produits

• Aucun. Aucun produit chimique ou biologique n'est utilisé ou consommé dans ce laboratoire ; le seul consommable est le gaz brûlé par le bec Bunsen.