Securitatea în laborator este setul de practici care face posibilă însăși munca experimentală. Într-un laborator de cercetare, industrial sau didactic, fiecare procedură este precedată de o evaluare a ceea a s-ar putea întâmpla greșit și de alegerea echipamentului și a comportamentului care împiedică un incident previzibil să se transforme într-o vătămare. Un laborator școlar conține flăcări deschise, suprafețe fierbinți, instrumente alimentate de la rețea, substanțe corozive și inflamabile și sticlărie fragilă, iar fiecare dintre aceste pericole este gestionat printr-o combinație specifică de trei elemente: echipament de protecție purtat pe corp, o procedură urmată într-o ordine fixă și un dispozitiv de urgență a cărui locație este cunoscută înainte de a fi necesar.
Două dintre aceste pericole sunt prezentate explicit aici și se manifestă în moduri foarte diferite. Flacăra unui bec Bunsen eliberează energia chimică a unei hidrocarburi la o temperatură de aproximativ 1500 °C și își face simțită prezența: este luminoasă, este zgomotoasă și este inconfundabilă. O plită încinse la 100 °C este pe deplin capabilă să provoace o arsură și nu trădează nimic, deoarece o suprafață nu începe să strălucească în spectrul vizibil decât de la aproximativ 500 °C. Energia tot părăsește plita – sub formă de coloană ascendentă de aer cald și ca radiație în infraroșu a cărei lungime de undă maximă se situează mult în afara spectrului pe care ochiul îl poate detecta –, astfel încât pericolul trebuie dedus din afișajul aparatului și din procedura urmată, și nu văzut. Învățarea de a trata o suprafață nemarcată ca fiind periculoasă este cel mai ușor de transferat obicei în această activitate.
În acest laborator veți îmbrăca echipamentul de protecție adecvat sarcinii, veți folosi un indicator laser pentru a localiza și numi echipamentele de urgență din sală, iar apoi veți observa pe rând cele două surse de căldură: flacăra unui arzător Bunsen și suprafața unei plite aduse la 100 °C și apoi oprite. Nu se colectează nicio măsurătoare și nu se consumă nicio substanță. Produsul exercițiului este un set de comportamente, un vocabular și o hartă mentală a sălii, pe care orice laborator viitor presupune că studentul le are deja.
Obiective educaționale
Până la sfârșitul acestui laborator, studenții vor fi capabili:
Selectarea și utilizarea echipamentului individual de protecție
- Găsește și pune-ți halatul de laborator, ochelarii de protecție și mănușile de nitril necesare pentru o anumită sarcină.
- Explicați împotriva a ce protejează fiecare articol și de ce mănușile din nitril trebuie schimbate cu mănuși de protecție termică înainte de a vă apropia de o sursă de căldură.
Amplasarea și scopul echipamentului de urgență
- Localizați trusa de prim ajutor, extinctorul, dușul de urgență, stația de spălare a ochilor, alarma de incendiu și detectorul de fum și monoxid de carbon.
- Precizați, pentru fiecare dispozitiv, situația care ar necesita utilizarea acestuia și situația care nu ar necesita-o.
Manipularea în siguranță a surselor de căldură
- Aprindeți și stingeți un arzător Bunsen, apoi reglați, citiți și reduceți temperatura unei plăci de încălzire.
- Apropiați-vă de o sursă de căldură cu mâinile protejate, pentru scurt timp și din lateral, mai degrabă decât prin curentul ascendent de aer cald.
Recunoașterea unui pericol care nu emite niciun semnal vizual
- Explicați de ce o suprafață la 100 °C arată exact ca una la 20 °C și de ce placa rămâne periculoasă mai mult de un minut după ce temperatura de referință a fost redusă.
- Folosiți indicațiile unui instrument, și nu aspectul exterior, ca dovadă că o suprafață poate fi atinsă în siguranță.
Regulile de laborator și conduita personală
- Respectați regulile generale ale sălii: părul strâns, bijuteriile scoase, încălțăminte închisă, băncile și culoarele libere, spălarea mâinilor la intrare și la ieșire, fără a mânca, bea, gusta sau mirosi nimic.
- Raportați imediat orice spargere, scurgere sau accident și lăsați echipamentul și spațiul de lucru curate.
Transferul către alte medii de laborator
- Aplicați același mod de gândire în ceea ce privește evaluarea riscurilor într-un laborator dintr-o altă disciplină, unde pericolele specifice sunt diferite, dar metoda de gestionare a acestora rămâne aceeași.
Protocol
Purtați echipamentul de protecție adecvat sarcinii
- Găsește și îmbracă halatul de laborator.
- Localizați și puneți-vă ochelarii de protecție.
- Găsește și pune-ți mănușile de nitril.
Folosind laserul, arată locația următorului echipament de siguranță
- Găsește trusa de prim ajutor.
- Localizați stingătorul.
- Localizați dușul de urgență și stația de spălare a ochilor.
- Localizați alarma de incendiu.
- Localizați detectorul de fum și monoxid de carbon.
Efectul unei surse de căldură: arzător Bunsen
- Îndepărtați mănușile din nitril.
- Localizați și îmbrăcați mănușile de protecție termică.
- Aprinde arzătorul Bunsen folosind butonul roșu de la baza tubului.
- Treceți rapid o mână peste flacără (asigurați-vă că purtați mănușile termice!).
- Oprește arzătorul.
Efectul unei surse de căldură: Plita fierbinte
- Ajustează temperatura plăcii de încălzire la 100°C. Așteaptă până când temperatura este atinsă.
- Treceți rapid o mână peste plita încinsă (asigurați-vă că purtați mănușile termice!).
- Coborâți temperatura plăcii de încălzire la 15°C.
Informații suplimentare
- Este de asemenea important să vă legați părul, să vă scoateți bijuteriile (inele, brățări etc.) și să purtați încălțăminte cu vârful închis.
- Curățați băncile de laborator și culoarele de orice obstacol (de exemplu, un rucsac).
- Spălați-vă pe mâini la intrarea și la ieșirea din laborator.
- Citiți și urmați etichetarea produselor utilizate.
- Cere clarificări dacă nu ești sigur despre o procedură de efectuat sau un produs de utilizat.
- Nu mâncați, nu beți și nu mestecați gumă în laborator.
- Comportați-vă calm, manevrați echipamentul cu grijă și acordați atenție muncii dumneavoastră.
- Evitați manipularea unui produs inflamabil lângă o sursă de căldură.
- Efectuați numai procedurile prescrise de profesor, de cadrul didactic, de tehnician sau de asistentul de laborator.
- Nu gustați și nu mirosiți nicio substanță.
- Nu turnați produse chimice sau biologice toxice în chiuvete.
- Nu scoateți niciodată echipamente sau substanțe din laborator.
- Raportați imediat orice defecțiune, vărsare sau accident persoanei responsabile de laborator.
- Curățați echipamentul și spațiul de lucru după experimente.
Rezultate anticipate
Acest laborator nu generează nicio măsurătoare care să fie notată. Ceea ce produce este un set de acțiuni corecte, iar rezultatul așteptat este ca fiecare dintre acestea să fie efectuată fără a fi necesară o indicație: cele trei echipamente de protecție sunt îmbrăcate înainte de a atinge orice altceva, cele șase dispozitive de urgență sunt identificate și denumite, mănușile din nitril sunt înlocuite cu mănuși termice înainte de a se apropia de oricare dintre sursele de căldură, iar arzătorul este oprit și plita reglată la o temperatură mai scăzută înainte de încheierea sesiunii. Un student care ajunge la finalul protocolului fără să fi efectuat schimbarea mănușilor nu a finalizat lucrarea de laborator, chiar dacă simularea îi va permite să continue.
Echipamentul de protecție și motivul pentru care fiecare element este specificat. Halatul de laborator acoperă antebrațele și îmbrăcămintea de dedesubt și este articolul care se scoate și se lasă în urmă la ieșirea din încăpere, astfel încât orice substanță vărsată pe el să nu fie transportată în afară. Ochelarii de protecție se mulează pe față și protejează împotriva stropirii venite din lateral sau de sus; ochelarii de vedere nu au această funcție, motiv pentru care protocolul specifică ochelarii de protecție. Mănușile din nitril constituie o barieră împotriva stropirii cu substanțe chimice, având o grosime de aproximativ 0,1 mm, și nu oferă practic nicio protecție termică — tocmai de aceea protocolul prevede ca studentul să le scoată înainte de a se apropia de sursele de căldură. Considerând stratul mănușii ca o conducție unidimensională staționară, fluxul de căldură care ajunge la piele prin mănușă în contact cu o suprafață este q = k ΔT / d. Pentru nitril (k ≈ 0,2 W/m·K, d = 0,1 mm) în contact cu o placă la 100 °C, iar pielea la 33 °C, q = 0,2 × 67 / 1,0 × 10−4 ≈ 1,3 × 105 W/m2; pentru o mănușă termică (k ≈ 0.04 W/m·K, d = 3 mm), q = 0.04 × 67 / 3.0 × 10−3 ≈ 9 × 102 W/m2. Mănușa termică reduce fluxul cu un factor de aproximativ 150, combinând o conductivitate mai scăzută cu o grosime de treizeci de ori mai mare.
| Dispozitiv de urgență | La ce servește | Pentru ce nu este destinat |
|---|---|---|
| Trusă de prim ajutor | Tăieturi ușoare și arsuri minore, după ce pericolul a fost îndepărtat | Orice accident care a fost raportat, dar care nu a fost încă verificat de persoana responsabilă |
| Extinctor | Un incendiu mic, localizat, pe o bancă, stins de o persoană instruită, care a intervenit din partea ușii | În cazul unui incendiu care a cuprins o persoană sau al unui incendiu care se extinde deja — dați alarma și evacuați locul |
| Duș de urgență | Substanță chimică vărsată pe corp sau pe haine, iar hainele au luat foc | Doar stropi în ochi |
| Stație de spălare a ochilor | Orice substanță care ajunge în ochi, spălată timp îndelungat cu pleoapele ținute deschise | O clătire rapidă, care reprezintă cea mai frecventă greșeală |
| Alarmă de incendiu | Avertizarea ocupanților clădirii și declanșarea evacuării | O scurgere sau o accidentare fără incendiu |
| Detector de fum și monoxid de carbon | Detectarea produselor de ardere, inclusiv a unui gaz incolor, inodor și fără gust | Detectarea unui vapor chimic sau a unei scurgeri de gaz nears |
De ce flacăra este evidentă și farfuria nu. Un corp fierbinte emite radiații pe un spectru continuu a cărui lungime de undă de la maxim este determinată exclusiv de temperatura sa, prin legea deplasării a lui Wien, λmaxim = 2898 µm·K / T. La temperatura de 373 K a unei plăci menținute la 100 °C, aceasta oferă λmaxim = 2898 / 373 = 7,8 µm, aproximativ de paisprezece ori cea mai lungă lungime de undă la care ochiul reacționează; nicio parte a emisiei nu se încadrează în banda vizibilă în nicio cantitate detectabilă. Incandescența vizibilă nu începe decât în jur de 800 K (525 °C, punctul Draper), iar o flacără Bunsen la 1773 K este mult deasupra acestuia. Emisia totală crește ca a patra putere a temperaturii, astfel încât fluxul net care părăsește o suprafață la temperatura T într-o cameră la T0 = 298 K este q = σ(T4 − T04) cu σ = 5,67 × 10−8 W/m2·K4. Pentru placa la 100 °C, q = 5,67 × 10−8 × (1.94 × 1010 − 7,89 × 109) = 6.5 × 102 W/m2 — aproximativ două treimi din fluxul solar care ajunge la sol la amiază, de la o suprafață care arată ca oricare alta. Acesta este răspunsul cantitativ la întrebarea în jurul căreia este construit laboratorul: placa nu este mai puțin periculoasă decât flacăra, este doar mai puțin vizibilă.
| Sursă | Temperatură | λmaxim (Viena) | Flux radiant net către o cameră de 25 °C | Vizibil? |
|---|---|---|---|---|
| Plită electrică, valoare de referință redusă | 60 °C (333 K) | 8,7 µm | 2.5 × 102 W/m2 | Nu |
| Plită electrică, valoare de referință a protocolului | 100 °C (373 K) | 7,8 µm | 6.5 × 102 W/m2 | Nu |
| Debutul incandescenței (punctul Draper) | 525 °C (798 K) | 3,6 µm | 2.3 × 104 W/m2 | Roșu stins |
| flacără de bec Bunsen | ≈ 1500 °C (1773 K) | 1,6 µm | 5.6 × 105 W/m2 | Da |
Ce se consideră a fi o temperatură periculoasă. Leziunile cutanate depind atât de temperatură, cât și de durată, nu doar de temperatură, iar dependența este accentuată: fiecare câteva grade în plus reduce expunerea tolerabilă de aproximativ trei ori. Datele clasice privind opărirea (Moritz și Henriques) oferă timpii de mai jos pentru o arsură în grosime totală rezultată din contactul cu apa fierbinte. Ele explică de ce 60 °C este tratată ca o temperatură periculoasă a suprafeței în ghidurile de laborator și de ce placa trebuie tratată ca fiind periculoasă mult timp după ce a încetat să mai fie la valoarea sa de referință.
| Temperatura de contact | Expunere aproximativă pentru o arsură de grosime totală |
|---|---|
| 48 °C | 5 minute |
| 51 °C | 2 minute |
| 55 °C | 17 secunde |
| 60 °C | 5 secunde |
| 65 °C | 2 secunde |
| 70 °C | sub 1 secundă |
Ce afișaj are plita electrică și ce anume îi comunică acesta elevului. Placa are două afișaje, Placă T° (temperatura actuală a suprafeței) și Temperatură țintă (valoarea de referință setată). Placa urcă de la 56 °C la 95 °C în aproximativ douăzeci de secunde și apoi a urcat ultimele câteva grade mult mai lent, ceea ce reprezintă semnătura unei așezări exponențiale spre valoarea de referință, mai degrabă decât o rampă liniară: diferența de temperatură rămasă scade cu o constantă de timp de aproximativ cincizeci de secunde, astfel încât primele treizeci de grade iau mai puțin timp decât ultimele șase. Odată ce cadranul a fost dat înapoi, citirea a scăzut de la 95 °C la 79 °C în mai puțin de zece secunde. Punctul de predare se află în ultimul rând al tabelului: în momentul în care se termină protocolul, placa se află încă la 79 °C, pe care tabelul anterior o plasează la mult sub o secundă de contact tolerabil.
| Punct în procedură | Placă T° | Temperatură țintă | Etapă |
|---|---|---|---|
| La scurt timp după introducerea valorii de referință | 56 °C | 101 °C | Încălzire |
| Aproximativ 14 secunde mai târziu | 82 °C | 101 °C | Încălzire |
| La aproximativ 20 s după valoarea de referință | 94 °C | 101 °C | Încălzire, încetinire |
| Mâna a trecut deasupra farfuriei | 95 °C | 101 °C | Aproape de valoarea de referință |
| Cadranul este dat mai încet | 93 °C | 62 °C | Punctul de referință scade |
| La câteva secunde după | 89 °C | Coborât | Răcire |
| Sfârșitul protocolului | 79 °C | Coborât | Se răcește, dar este încă periculos |
Rezumatul temei pe intervale de note
Clasele a IX-a și a X-a
Concentrare. Recunoașterea pericolelor și formarea rutinei. Elevii învață numele echipamentului de protecție și ale dispozitivelor de urgență, precum și ordinea în care se fac lucrurile.
- Îmbrăcați halatul de laborator, ochelarii de protecție și mănușile din nitril, apoi enumerați împotriva a ce protejează fiecare.
- Indică cele șase dispozitive de urgență și spune, în câte o propoziție fiecare, când ar fi utilizate.
- Observați ambele surse de căldură și indicați care dintre ele oferă un avertisment și care nu.
- Rescrieți regulile generale de laborator ca o listă de verificare scurtă, în propriile cuvinte, și identificați pe care regulă ar fi prevenit-o fiecare dintre cele trei accidente descrise.
Clasa a XI-a
Concentrare. Tratarea cantitativă a pericolului și justificarea fiecărei măsuri de precauție, în loc de simpla lor enumerare.
- Înregistrează Placă T° citirile din timpul încălzirii și răcirii, reprezentați-le grafic în funcție de timp și descrieți forma fiecărei curbe.
- Folosiți tabelul privind pragul de arsuri pentru a preciza cât timp după pasul final al protocolului placa rămâne capabilă să provoace o vătămare, având în vedere comportamentul de răcire pe care l-au înregistrat.
- Calculează λmaxim din legea lui Wien pentru placă și pentru flacără și explicați pe baza rezultatului de ce doar una dintre ele este vizibilă.
- Explicați de ce mănușile de nitril sunt îndepărtate în loc să fie păstrate, folosind estimarea conducției $q = k \Delta T / d$. Mănușile de nitril sunt îndepărtate în loc să fie păstrate, deoarece grosimea lor extrem de redusă ($d$) și valoarea conductivității termice ($k$) permit un transfer rapid de căldură ($q$) atunci când $\Delta T$ este semnificativ, ceea ce înseamnă că mănușile nu oferă izolație termică și pot transmite căldura sau substanțele periculoase direct către piele.
Clasa a XII-a / Nivel universitar
Concentrare. Siguranța ca management al riscului: derivare și analiză cantitativă.
- Calculează fluxul radiant net $\sigma(T4 − T04) pentru ambele surse de căldură, comparați-l cu o estimare a fluxului convectiv deasupra plăcii și precizați ce mecanism predomină pentru o mână ținută la 5 cm deasupra acesteia.
- Ajustează datele de răcire înregistrate la legea răcirii a lui Newton, extrage o constantă de timp și compară-o cu constanta de timp de încălzire; explică diferența în termeni fizici.
- Efectuați o evaluare scrisă a riscurilor pentru procedură: identificați fiecare pericol, măsura de control aplicată și riscul rezidual care rămâne după aplicarea măsurii de control.
- Identificați cel puțin două puncte în care simularea scurtează realitatea într-un mod care ar putea produce un fals sentiment de siguranță și propuneți modul în care un profesor ar trebui să compenseze.
Esențiale de laborator
Instrumente
- Halat de laborator
- Ochelari de protecție
- Mănuși din nitril
- Mănuși de protecție termică
- Punter laser
- Arzător Bunsen (aprins cu butonul roșu de la baza tubului)
- Plită electrică cu buton de temperatură și Placă T° / Temperatură țintă citire
- Echipamentul de urgență din cameră, amplasat dar neutilizat: trusă de prim ajutor, extinctor, duș de urgență, stație de spălare a ochilor, alarmă de incendiu, detector de fum și monoxid de carbon
Produse
- Niciunul. Niciun produs chimic sau biologic nu este utilizat sau consumat în acest laborator; singurul consumabil este gazul ars de becul Bunsen.