La sicurezza di laboratorio è l'insieme di pratiche che rende possibile il lavoro sperimentale. In un laboratorio di ricerca, industriale o didattico, ogni procedura è preceduta da una valutazione di ciò che potrebbe andare storto e dalla scelta di attrezzature e comportamenti che impediscono a un incidente prevedibile di trasformarsi in un infortunio. Un laboratorio scolastico contiene fiamme libere, superfici calde, strumenti alimentati dalla rete elettrica, sostanze corrosive e infiammabili e vetreria fragile, e ciascuno di questi pericoli è gestito da una specifica combinazione di tre cose: dispositivi di protezione indossati sul corpo, una procedura seguita in un ordine prestabilito e un dispositivo di emergenza di cui si conosce la posizione prima che sia necessario.
Due di questi pericoli sono resi espliciti qui, e si comportano in modo molto diverso. La fiamma di un becco di Bunsen rilascia l'energia chimica di un idrocarburo a una temperatura vicina a 1500 °C e si annuncia: è luminosa, è rumorosa ed è inequivocabile. Una piastra riscaldante a 100 °C è perfettamente in grado di causare un'ustione e non annuncia nulla del tutto, poiché una superficie non comincia a brillare nello spettro visibile se non a circa 500 °C. L'energia continua comunque a lasciare la piastra — come una colonna ascendente di aria calda e come radiazione infrarossa la cui lunghezza d'onda di picco si trova ben al di fuori dell'intervallo che l'occhio può rilevare — quindi il pericolo deve essere dedotto dalla lettura dello strumento stesso e dalla procedura anziché essere visto. Imparare a trattare una superficie non contrassegnata come pericolosa è l'abitudine in assoluto più trasferibile in questa attività.
In questo laboratorio indosserete i dispositivi di protezione adeguati all'attività, userete un puntatore laser per individuare e nominare le attrezzature di emergenza della stanza e poi osserverete a turno le due fonti di calore: la fiamma di un becco di Bunsen e la superficie di una piastra riscaldante portata a 100 °C e poi nuovamente spenta. Non viene raccolta alcuna misurazione e non viene consumata alcuna sostanza. Il prodotto dell'esercitazione è un insieme di comportamenti, un vocabolario e una mappa mentale della stanza, dati che ogni laboratorio successivo dà per scontato che lo studente possieda già.
Obiettivi Educativi
Alla fine di questo laboratorio, gli studenti saranno in grado di:
Selezione e uso dei dispositivi di protezione individuale
- Individua e indossa il camice da laboratorio, gli occhiali di protezione e i guanti in nitrile richiesti per un determinato compito.
- Spiega cosa protegge ciascun articolo e perché i guanti in nitrile devono essere sostituiti con guanti di protezione termica prima di avvicinarsi a una fonte di calore.
Posizione e scopo delle attrezzature di emergenza
- Individua la cassetta di primo soccorso, l'estintore, la doccia di emergenza, la stazione lavaggi occhi, l'allarme antincendio e il rilevatore di fumo e monossido di carbonio.
- Indicare, per ciascun dispositivo, la situazione in cui sarebbe necessario e quella in cui non lo sarebbe.
Manipolazione sicura delle fonti di calore
- Accendere e spegnere un becco di Bunsen, e impostare, leggere e abbassare la temperatura di una piastra riscaldante.
- Avvicinarsi a una fonte di calore con le mani protette, brevemente e di lato anziché attraverso la colonna d'aria calda ascendente.
Riconoscimento di un pericolo che non dà alcun segnale visivo
- Spiega perché una superficie a 100 °C sembra esattamente identica a una superficie a 20 °C e perché la piastra rimane pericolosa per più di un minuto dopo che il valore impostato è stato abbassato.
- Usa la lettura di uno strumento, anziché l'aspetto, come prova che una superficie è sicura da toccare.
Norme di laboratorio e condotta personale
- Applicare le regole generali della stanza: capelli raccolti, gioielli rimossi, scarpe chiuse, panche e corridoi liberi, mani lavate all'entrata e all'uscita, nulla di mangiato, bevuto, assaggiato o odorato.
- Segnalare immediatamente qualsiasi rottura, versamento o infortunio e lasciare le attrezzature e lo spazio di lavoro puliti.
Trasferimento ad altri ambienti di laboratorio
- Applica lo stesso riflesso di valutazione del rischio in un laboratorio di una disciplina diversa, dove i pericoli specifici differiscono ma il metodo per gestirli no.
Protocollo
Indossa i dispositivi di protezione individuale appropriati all'attività
- Individua e indossa il camice da laboratorio.
- Individua e indossa gli occhiali protettivi.
- Individuare e indossare i guanti in nitrile.
Utilizzando il puntatore laser, indica la posizione della seguente attrezzatura di sicurezza
- Trova il kit di pronto soccorso.
- Individua l'estintore.
- Individua la doccia di emergenza e la stazione lavaocchi.
- Individua l'allarme antincendio.
- Individua il rilevatore di fumo e monossido di carbonio.
Effetto di una fonte di calore: bruciatore Bunsen
- Togliere i guanti di nitrile.
- Individua e indossa i guanti termoprotettivi.
- Accendi il becco Bunsen usando il pulsante rosso alla base del tubo.
- Fai passare rapidamente una mano sopra la fiamma (assicurati di indossare i guanti termici!).
- Spegni il fornello.
Effetto di una fonte di calore: Piastra riscaldante
- Imposta la temperatura della piastra riscaldante a 100°C. Attendi che la temperatura venga raggiunta.
- Passa rapidamente una mano sopra la piastra calda (assicurati di indossare i guanti termici!).
- Abbassare la temperatura della piastra a 15°C.
Ulteriori informazioni
- È anche importante legare i capelli, rimuovere i gioielli (anelli, bracciali, ecc.) e indossare scarpe chiuse.
- Liberate i banchi del laboratorio e le corsie da qualsiasi ostacolo (uno zaino, ad esempio).
- Lavarsi le mani entrando e uscendo dal laboratorio.
- Leggere e seguire le istruzioni sull'etichetta dei prodotti utilizzati.
- Chiedere chiarimenti se non si è sicuri di una procedura da eseguire o di un prodotto da utilizzare.
- Non mangiare, bere o masticare gomme in laboratorio.
- Comportatevi con calma, maneggiate l'attrezzatura con cura e prestate attenzione al vostro lavoro.
- Evitare di manipolare un prodotto infiammabile vicino a una fonte di calore.
- Eseguire solo le procedure prescritte dall'insegnante, dal docente, dal tecnico o dal tecnico di laboratorio.
- Non assaggiare o odorare alcuna sostanza.
- Non versare prodotti chimici tossici o biologici negli scarichi.
- Non portare mai attrezzature o sostanze fuori dal laboratorio.
- Segnalare immediatamente qualsiasi rottura, sversamento o infortunio al responsabile del laboratorio.
- Pulire l'attrezzatura e l'area di lavoro dopo gli esperimenti.
Risultati Previsti
Questo laboratorio non produce alcuna misurazione da contrassegnare. Ciò che produce è un insieme di azioni corrette, e il risultato atteso è che ciascuna di esse venga eseguita senza alcun sollecito: i tre elementi di protezione vengono indossati prima di toccare qualsiasi altra cosa, i sei dispositivi di emergenza vengono trovati e nominati, i guanti in nitrile vengono sostituiti con guanti termici prima di avvicinarsi a qualsiasi fonte di calore, e il becco Bunsen viene spento e la piastra abbassata prima della fine della sessione. Uno studente che arriva alla fine del protocollo avendo saltato il cambio dei guanti non ha completato il laboratorio, anche se la simulazione gli permetterà di continuare.
Dispositivi di protezione e perché ciascun articolo è specificato. Il camice da laboratorio copre gli avambracci e i vestiti sottostanti ed è l'indumento rimosso e lasciato indietro quando si esce dalla stanza, in modo che eventuali sostanze versate su di esso non vengano trasportate all'esterno. Gli occhiali protettivi aderiscono al viso e proteggono da uno schizzi provenienti dai lati o dall'alto; gli occhiali di sicurezza no, motivo per cui il protocollo specifica gli occhiali protettivi a maschera. I guanti in nitrile sono una barriera contro gli schizzi chimici spessa circa 0,1 mm e non offrono praticamente alcuna protezione termica, motivo per cui il protocollo prevede che lo studente li tolga prima delle fonti di calore. Trattando lo strato del guanto come una conduzione stazionaria monodimensionale, il flusso di calore che raggiunge la pelle attraverso un guanto a contatto con una superficie è q = k ΔT / d. Per il nitrile (k ≈ 0,2 W/m·K, d = 0,1 mm) contro una piastra a 100 °C con la pelle a 33 °C, q = 0,2 × 67 / 1,0 × 10−4 ≈ 1,3 × 105 W/m2; per un guanto termico (k ≈ 0.04 W/m·K, d = 3 mm), q = 0.04 × 67 / 3.0 × 10meno tre ≈ 9 × 102 W/m2. Il guanto termico riduce il flusso di un fattore di circa 150, e lo fa combinando una minore conducibilità con uno spessore trenta volte maggiore.
| Dispositivo di emergenza | A cosa serve | A cosa non serve |
|---|---|---|
| Cassetta di primo soccorso | Piccoli tagli e ustioni minori, dopo che il pericolo è stato rimosso | Qualsiasi infortunio che sia stato segnalato ma non ancora visionato dal responsabile |
| Estintore | Un piccolo incendio circoscritto su un banco di lavoro, utilizzato da una persona addestrata dal lato della porta | Un incendio su una persona, o un incendio già in propagazione — dare l'allarme ed evacuare |
| Doccia di emergenza | Sostanza chimica versata sul corpo o sugli indumenti e indumenti in fiamme | Spruzzi solo negli occhi |
| Stazione lavaocchi | Qualsiasi sostanza nell'occhio, sciacquata per un periodo prolungato con le palpebre tenute aperte | Un risciacquo rapido, che è l'errore più comune |
| Allarme antincendio | Allarme nell'edificio e attivazione dell'evacuazione | Una fuoriuscita o un infortunio senza incendio |
| Rilevatore di fumo e monossido di carbonio | Rilevamento dei prodotti della combustione, compreso un gas inodore, incolore e insapore | Rilevamento di un vapore chimico o di una perdita di gas incombusto |
Perché la fiamma è evidente e il piatto no. Un corpo caldo irrada su uno spettro continuo la cui lunghezza d'onda di picco è stabilita unicamente dalla sua temperatura, tramite la legge dello spostamento di Wien, λmassimo = 2898 µm·K / T. A 373 K di una piastra mantenuta a 100 °C ciò dà λmassimo = 2898 / 373 = 7,8 µm, circa quattordici volte la lunghezza d'onda più lunga a cui l'occhio risponde; nessuna parte dell'emissione rientra nella banda visibile in quantità rilevabile. L'incandescenza visibile non inizia prima di circa 800 K (525 °C, il punto di Draper), e una fiamma del becco di Bunsen a 1773 K è ben al di sopra di essa. L'emissione totale cresce come la quarta potenza della temperatura, quindi il flusso netto che lascia una superficie a temperatura T in una stanza a T0 = 298 K è q = σ(T4 − T04) con σ = 5,67 × 10−8 W/m2·K4. Per la piastra a 100 °C, q = 5,67 × 10−8 × (1.94 × 1010 − 7,89 × 109) = 6,5 × 102 W/m2 — circa due terzi del flusso solare che raggiunge il suolo a mezzogiorno, da una superficie che sembra una qualsiasi. Questa è la risposta quantitativa alla domanda attorno alla quale è costruito il laboratorio: la piastra non è meno pericolosa della fiamma, è solo meno visibile.
| Fonte | Temperatura | λmassimo (Vienna) | Flusso radiante netto in una stanza a 25 °C | Visibile? |
|---|---|---|---|---|
| Piastra riscaldante, setpoint abbassato | 60 °C (333 K) | 8,7 µm | 2.5 × 102 W/m2 | No |
| Piastra riscaldante, setpoint del protocollo | 100 °C (373 K) | 7,8 µm | 6.5 × 102 W/m2 | No |
| Inizio dell'incandescenza (punto di Draper) | 525 °C (798 K) | 3,6 µm | 2.3 × 104 W/m2 | Rosso tenue |
| fiamma del becco di Bunsen | ≈ 1500 °C (1773 K) | 1,6 µm | 5.6 × 105 W/m2 | Sì |
Qual è considerata una temperatura pericolosa. Il danno cutaneo dipende sia dalla temperatura che dalla durata, e non solo dalla temperatura, e la dipendenza è marcata: ogni pochi gradi in più riduce l'esposizione tollerabile di circa un fattore tre. I dati classici sulle ustioni (Moritz e Henriques) forniscono i tempi indicati di seguito per un'ustione a tutto spessore dovuta al contatto con acqua calda. Essi spiegano perché 60 °C siano considerati una temperatura superficiale pericolosa nelle linee guida di laboratorio e perché la piastra debba essere considerata pericolosa molto tempo dopo aver cessato di trovarsi alla temperatura impostata.
| Temperatura di contatto | Esposizione approssimativa per un'ustione a tutto spessore |
|---|---|
| 48 °C | 5 minuti |
| 51 °C | 2 minuti |
| 55 °C | 17 secondi |
| 60 °C | 5 secondi |
| 65 °C | 2 secondi |
| 70 °C | in meno di 1 secondo |
Cosa indica il display della piastra riscaldante e cosa comunica allo studente. La piastra supporta due display, Piastra T° (la temperatura superficiale attuale) e Temperatura obiettivo (il valore di riferimento impostato). La piastra sale da 56 °C a 95 °C in circa venti secondi e poi procede molto più lentamente negli ultimi gradi, il che è la tipica caratteristica di un avvicinamento esponenziale al valore impostato anziché di una rampa lineare: la differenza di temperatura rimanente decade con una costante di tempo di circa quindici secondi, per cui i primi trenta gradi richiedono meno tempo degli ultimi sei. Una volta abbassata la manopola, la lettura è scesa da 95 °C a 79 °C in meno di dieci secondi. Il punto didattico si trova nell'ultima riga della tabella: nel momento in cui il protocollo termina, la piastra si trova ancora a 79 °C, valore che la tabella precedente colloca a ben meno di un secondo di contatto tollerabile.
| Punto della procedura | Piastra T° | Temperatura obiettivo | Fase |
|---|---|---|---|
| Poco dopo l'inserimento del valore di riferimento | 56 °C | 101 °C | Riscaldamento |
| Circa 14 s dopo | 82 °C | 101 °C | Riscaldamento |
| Circa 20 s dopo il setpoint | 94 °C | 101 °C | Riscaldamento, rallentamento |
| Mano passata sopra il piatto | 95 °C | 101 °C | Vicino al setpoint |
| Manopola abbassata | 93 °C | 62 °C | Valore di setpoint in diminuzione |
| Pochi secondi dopo | 89 °C | Abassato | Raffreddamento |
| Fine del protocollo | 79 °C | Abassato | In raffreddamento, ancora pericoloso |
Riepilogo del compito per intervallo di voti
Classe 9-10
Concentrati. Riconoscimento dei pericoli e costruzione della routine. Gli studenti imparano i nomi dei dispositivi di protezione e dei dispositivi di emergenza, e l'ordine in cui le cose vanno fatte.
- Indossa il camice da laboratorio, gli occhiali protettivi e i guanti in nitrile, quindi elenca ciò contro cui ciascuno di essi protegge.
- Indica i sei dispositivi di emergenza e spiega, in una frase ciascuno, quando verrebbero utilizzati.
- Osserva entrambe le fonti di calore e indica quale emette un avviso e quale no.
- Riscrivi le regole generali del laboratorio come una breve lista di controllo con parole tue e individua quale regola avrebbe evitato ciascuno dei tre incidenti descritti.
Undicesimo anno
Concentrati. Trattamento quantitativo del pericolo e giustificazione di ciascuna precauzione anziché la sua mera enunciazione.
- Registra Piastra T° letture durante il riscaldamento e il raffreddamento, tracciale in funzione del tempo e descrivi la forma di ciascuna curva.
- Utilizzare la tabella della soglia di bruciatura per indicare per quanto tempo dopo la fase finale del protocollo la piastra rimane in grado di causare una lesione, dato il comportamento di raffreddamento registrato.
- Calcola λmassimo dalla legge di Wien per la piastra e per la fiamma, e spiegare in base al risultato perché solo una di esse è visibile.
- Spiega perché i guanti in nitrile vengono rimossi anziché tenuti indossati, usando la stima della conduzione $q = k \Delta T / d$.
12ª classe / Livello universitario
Concentrati. La sicurezza come gestione del rischio: derivazione e analisi quantitativa.
- Calcola il flusso radiante netto σ(T4 − T04) per entrambe le fonti di calore, confrontarlo con una stima del flusso convettivo sopra la piastra e indicare quale meccanismo prevale nel caso di una mano tenuta a 5 cm di distanza da essa.
- Adatta i dati di raffreddamento registrati alla legge del raffreddamento di Newton, estrai una costante di tempo e confrontala con la costante di tempo del riscaldamento; spiega la differenza in termini fisici.
- Eseguire una valutazione dei rischi scritta della procedura: identificare ciascun pericolo, la misura di controllo applicata e il rischio residuo che rimane dopo il controllo.
- Identificare almeno due punti in cui la simulazione abbrevia la realtà in modo da poter produrre un falso senso di sicurezza, e proporre come un insegnante dovrebbe compensare.
Materiale essenziale di laboratorio
Strumenti
- Camice da laboratorio
- Occhiali protettivi
- Guanti in nitrile
- Guanti termoprotettivi
- Puntatore laser
- Becco di Bunsen (acceso con il pulsante rosso alla base del tubo)
- Piastra riscaldante con manopola della temperatura e un Piastra T° / Temperatura obiettivo lettura
- Attrezzatura di emergenza della stanza, presente ma non azionata: cassetta di primo soccorso, estintore, doccia di emergenza, lavaocchi, allarme antincendio, rilevatore di fumo e monossido di carbonio
Prodotti
- Nessuno. In questo laboratorio non viene usato o consumato alcun prodotto chimico o biologico; l'unico materiale di consumo è il gas bruciato dal becco di Bunsen.