L organizzazione di un laboratorio di chimica per la scuola secondaria di II grado EFISIO A. SCANO. Cagliari 8 febbraio 2007

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1 L organizzazione di un laboratorio di chimica per la scuola secondaria di II grado EFISIO A. SCANO Cagliari 8 febbraio 2007

2 Finalità didattiche delle attività di laboratorio chimico conoscenza approfondita della strumentazione di base acquisizione di adeguata manualità nell uso della strumentazione applicazione pratica delle conoscenze teoriche attuazione di esperienze pratiche che servano da supporto alla comprensione di concetti chimici fondamentali

3 Esempi di attività condotte in un laboratorio chimico didattico Le esperienze di laboratorio vengono effettuate in: ore curricolari corsi pomeridiani di approfondimento Le esperienze sono relative a: Chimica Qualitativa: - saggi alla fiamma Chimica Quantitativa: - preparazione di soluzioni a diverse concentrazioni - determinazione della densità di una soluzione - titolazioni con reagenti a titolo noto - determinazione del ph di una soluzione - calcoli stechiometrici Reazioni chimiche - Saponificazione - Doppio scambio - Sintesi di diversi materiali ( Coloranti, fibre) Analisi di alcuni prodotti alimentari Determinazione del ph di latte, yogurth,, succhi di frutta, aceto

4 Descrizione di un ipotetico laboratorio chimico Il laboratorio risulta essere di dimensioni adeguate per contenere gli arredi previsti e tale da consentire una agevole circolazione degli allievi durante le attività didattiche. Come altresì previsto dalle normative vigenti esso risulta essere ben areato e ben illuminato Il laboratorio consta complessivamente di 32 postazioni di lavoro, fornite di gas - acqua - energia elettrica. Le prese della corrente rispondono alle norme di sicurezza imposte dalla U.E. pertanto sono dotate di messa a terra e sistema di protezione. I Bunsen di cui il laboratorio dispone sono collegati all impianto del gas (metano) attraverso tubi conformi alle normative vigenti Il laboratorio dispone di una cappa aspirante per l effettuazione di esperienze con sostanze volatili. Di sistemi di aspirazione dispongono altresì gli armadi di sicurezza dei reagenti chimici (tali reagenti risultano debitamente catalogati e provvisti della relativa scheda di sicurezza)

5 Percorso per la progettazione di un laboratorio chimico didattico Individuazione dell attività sperimentale che vi deve essere svolta Conoscenza del numero di persone che devono operare al suo interno Individuazione dei materiali e delle apparecchiature necessarie Individuazione del luogo o struttura nel quale deve essere ubicato Definizione della tipologia e delle caratteristiche degli impianti di servizio Definizione della tipologia e delle caratteristiche degli arredi Definizione del Lay out

6 Elementi essenziali per la progettazione di un laboratorio chimico Analitica di routine Individuazione dell attività sperimentale che vi deve essere svolta Ricerca Controllo di fabbrica Didattica L uso didattico di un laboratorio chimico può prevedere la possibilità di esecuzione di esperienze dimostrative da parte del docente e/o l esecuzione l diretta delle esperienze da parte degli allievi con la supervisione del docente coadiuvato dagli assistenti Per una migliore comprensione della parte teorica e per rendere più interessante l attività di laboratorio è in generale preferibile fare condurre le esperienze agli allievi

7 Elementi essenziali per la progettazione di un laboratorio chimico Determinazione del numero di persone che devono operare al suo interno Nelle scuole secondarie di II grado normalmente operano in laboratorio gruppi classe composti da alunni ( talvolta anche 30 alunni) per cui nella individuazione degli spazi, nella definizione della tipologia degli arredi e nella organizzazione delle postazioni di lavoro ne va tenuto conto

8 Elementi essenziali per la progettazione di un laboratorio chimico Individuazione dei materiali e delle attrezzature necessarie Le esperienze che devono essere eseguite determinano i materiali e le attrezzature necessarie e di conseguenza l assetto l definitivo del laboratorio Saponificazione Attrezzature Bilancia tecnica Pompa da vuoto Mantello riscaldante Agitatore meccanico Produttore ghiaccio Reagenti Oli vegetali o grassi animali Soda caustica Cloruro sodico Vetreria e altri materiali Imbuti Cilindri graduati Beckers Imbuto Buchner Beuta da vuoto Cartine indicatrici ph Termometro

9 Elementi essenziali per la progettazione di un laboratorio chimico Individuazione dei materiali e delle attrezzature necessarie Sintesi del Nylon Attrezzature Bilancia tecnica Cappa chimica Reagenti 1-6, Esilendiammina Cloruro di adipoile Cicloesano Vetreria e altri materiali Cilindri graduati Beckers Pipette di Pasteur Bacchetta di vetro

10 Elementi essenziali per la progettazione di un laboratorio chimico Individuazione del luogo o della struttura nel quale deve essere ubicato Normalmente prima si stabilisce la localizzazione e poi si fa il progetto del laboratorio, per cui la struttura ha delle caratteristiche mirate e specifiche Nelle scuole spesso accade di dovere adattare spazi preesistenti per cui aumenta la complessità del lavoro perché occorre tenere conto di altri elementi Nelle scuole, ed in generale, è preferibile realizzare la struttura di laboratorio al piano terra principalmente per ragioni di sicurezza, ma anche per ragioni di costo Un altro tipo di realizzazione comporta per esempio maggiori costi per : Complicazioni nell installazione degli impianti di servizio Necessità di installare montacarichi per il trasporto in sicurezza dei materiali

11 Elementi essenziali per la progettazione di un laboratorio chimico Definizione del lay out Per lay out si intende l assetto complessivo del laboratorio con la suddivisone degli spazi e la disposizione dimensionale di arredi e attrezzature Con i software attualmente disponibili ( Autocad, 3D studio) è possibile visualizzare gli spazi fisici e la distribuzione di arredi e attrezzature secondo un certo rapporto di scala con le dimensioni reali E altresì possibile verificare l adeguatezza degli spazi fisici al lavoro che si deve effettuare all interno del laboratorio stesso Si può, infine, simulare l attività che vi deve essere svolta verificando la congruenza tra questa e gli spazi e le attrezzature previsti

12 Esempi di lay out di laboratorio chimico Laboratori chimici di Licei

13 Esempi di lay out di un laboratorio chimico Aula - laboratorio chimico Soluzione di laboratorio chimico A basso costo

14 Elementi essenziali per la progettazione di un laboratorio chimico Definizione della tipologia e delle caratteristiche degli arredi In funzione della attività sperimentale che deve essere svolta e del numero di persone che devono essere ospitate nel laboratorio, devono essere scelte le dimensioni e la tipologia dei banconi ( centrali, parete), il materiale dei piani di lavoro, i servizi accessori agli arredi ( acqua, energia elettrica, gas combustibili, gas inerti, sistema di aspirazione, rete dati), le dotazioni ( alzate portareagenti,, tralicci, torrette portaprese,, lavelli, cassettiere e ripiani) Deve essere dimensionato il numero e la tipologia delle cappe chimiche, degli armadi aspirati e per sostanze infiammabili

15 Elementi essenziali per la progettazione di un laboratorio chimico Definizione della tipologia e delle caratteristiche degli impianti di servizio Impianto di distribuzione dell acqua ( fredda e calda) Impianto di distribuzione dell aria compressa Impianto di distribuzione di gas tecnici Impianto di distribuzione di gas combustibili Impianto di distribuzione dell energia energia elettrica ( quadri elettrici, linee) Impianto di ventilazione/aspirazione Impianto di illuminazione e luci di emergenza Impianto di condizionamento/riscaldamento

16 Elementi strutturali di un laboratorio chimico Strutture portanti ( D.M. 246/87) Resistenza al fuoco Portata dei solai min. 250 Kg/mq Altezza minima 3 m Tamponamenti ( D.M. 26/06/84) Classe di resistenza al fuoco adeguata Non devono permettere lo sviluppo di gas tossici in caso di incendio Avere capacità di isolamento termico Pareti divisorie e controsoffitti ( D.M. 246/87) Non devono permettere lo sviluppo di gas tossici in caso di incendio Avere capacità di isolamento termico Le superfici devono essere lavabili e decontaminabili

17 Pavimenti Elementi strutturali di un laboratorio chimico Devono essere resistenti ai prodotti normalmente impiegati in laboratorio Devono essere realizzati in materiale lavabile e decontaminabile Aperture( D.M. 246/87, DPR 303/56) Le finestre devono avere dispositivi che consentano il loro oscuramento parziale o totale I serramenti devono essere a doppia vetratura con isolamento termico ed acustico Illuminazione ( DPR 303/56, D.Lgs 626/94) La superficie illuminata naturalmente deve essere pari a 1/8 della superficie del locale L illuminazione artificiale deve essere realizzata con lampade che forniscano lo spettro della luce naturale

18 Elementi strutturali di un laboratorio chimico Condizionamento ( DPR 303/56, D.Lgs 626/94) L impianto di condizionamento deve assicurare almeno 10 ricambi di aria/ora Devono essere garantiti 20 mc/persona/ora di aria Deve essere presente un impianto di aspirazione centralizzato in grado di garantire il rapido allontanamento di gas e vapori Qualora si debbano eseguire esperienze particolari si devono prevedere cappe autonome La temperatura non deve essere inferiore ai 20 C Nel periodo estivo la temperatura deve essere compresa tra 25 e 27 C, con un umidità relativa del 40-60% e con una differenza di temperatura con l aria esterna non inferiore a 7 C

19 Impiantistica di un laboratorio chimico Impianto elettrico ( DPR 547/55, L.n.186/68,L.n.46/90) Deve essere adeguato all attività che si svolge all interno del laboratorio in termini di caratteristiche e di numero di prese di energia Nel caso si impieghino sostanze infiammabili o a rischio di esplosione si devono adottare gli accorgimenti previsti dalle norme CEI ( 64.8, 64.2) Ciascun banco di lavoro deve essere dotato di quadro di distribuzione dell energia autonomo Tutto il cablaggio deve essere esterno o, nel caso dei banchi chimici, all interno di opportune canalizzazioni Devono essere presenti pulsanti di emergenza e interruttori differenziali di sicurezza

20 Tubazioni di servizio Impiantistica di un laboratorio chimico Le tubazioni di servizio vanno collocate all esterno delle pareti in posizione facilmente ispezionabile, ma tale da non recare intralcio alle operazioni che si svolgeranno nei locali ( colori distintivi UNI P) Cappe chimiche ( norme CEI 64.2 app.f, 70-1,64.8) Devono essere realizzate su un telaio di supporto in acciaio verniciato con i montanti in acciaio inox AISI 316 oppure in laminato plastico ignifugo Le finestrature devono essere realizzate in cristallo temperato o di sicurezza. Le soluzioni più evolute prevedono l applicazione di vetri centrali scorrevoli Il piano di lavoro può essere in mattonelle di gres, in acciaio inossidabile o in materiali plastici anticorrosione I comandi e le prese elettriche devono essere sistemati all esterno per ragioni di sicurezza L impianto di illuminazione deve essere posizionato all interno in un comparto isolato e l impianto elettrico deve avere un grado di protezione almeno IP55

21 Impiantistica di un laboratorio chimico IP IP 44 IP 54 IP 55 IP 65 IP 66 IP 67 IP 68 IP 68-xx Definizione Protezione contro la penetrazione di corpi solidi maggiori di 1 mm. Protezione contro la penetrazione di liquidi da gocce, vapori o spruzzi in qualsiasi direzione. La penetrazione di corpi solidi inferiori a 1 mm e liquidi non deve danneggiare l'apparecchiatura. Protezione totale alla penetrazione di corpi solidi. Protezione contro la penetrazione di liquidi da gocce, vapori o spruzzi in qualsiasi direzione. La penetrazione di polveri e liquidi non deve danneggiare l'apparecchiatura. Protezione totale alla penetrazione di corpi solidi. Protezione contro la penetrazione di liquidi da gocce, vapori, spruzzi e getti d'acqua in qualsiasi direzione. La penetrazione di polveri e liquidi non deve danneggiare l'apparecchiatura. Protezione totale alla penetrazione di corpi solidi e polveri. Protezione contro la penetrazione di liquidi da gocce, vapori, spruzzi e getti d'acqua in qualsiasi direzione. La penetrazione liquidi non deve danneggiare l'apparecchiatura. Protezione totale alla penetrazione di corpi solidi e polveri. Protezione contro la penetrazione di liquidi da spruzzi, mareggiate e forti getti d'acqua in qualsiasi direzione. La penetrazione liquidi non deve danneggiare l'apparecchiatura. Protezione totale alla penetrazione di corpi solidi e polveri. Protezione contro l'immersione in acqua momentanea per 30 minuti a 1 metro di profondità. Protezione totale alla penetrazione di corpi solidi e polveri. Protezione contro l'immersione in acqua permanente a 1 metro di profondità. Protezione totale alla penetrazione di corpi solidi e polveri. Protezione contro l'immersione in acqua permanente a xx metri di profondità.

22 Arredi di un laboratorio chimico Banchi ad uso chimico Possono essere del tipo a parete o centrali Devono essere realizzati su un telaio di supporto in acciaio verniciato con i montanti in acciaio inox oppure in laminato plastico ignifugo Il piano di lavoro può essere in mattonelle di gres, in gres monolitico, in acciaio inossidabile o in materiali plastici anticorrosione I banconi possono essere attrezzati con alzate portareagenti, rastrelliere in funzione dell attività sperimentale che vi si intende svolgere I comandi e le prese elettriche devono essere sistemati all esterno. Normalmente si impiegano torrette portaprese La lunghezza e la larghezza devono essere stabilite a seconda delle postazioni di lavoro necessarie Sulle testate possono essere sistemati lavelli dotati di dispositivi scolavetreria

23 Arredi di un laboratorio chimico Armadi aspirati ( suggerimenti CNR) Sono utilizzati per immagazzinare le sostanze che possono produrre esalazioni con possibilità di rischio ( chimici, solventi, reagenti) Devono essere realizzati in pannelli di truciolato ignifugo nobilitato I ripiani devono essere realizzati in lamiera verniciata ( epossidico) Devono essere dotati di elettroaspiratore con variatore di velocità All interno devono essere posizionati, sulla mandata dell aria filtri ai carboni attivi in grado di consentire una portata di 250 mc/h Le dimensioni devono essere stabilite in funzione della quantità di materiali da conservare

24 Armadi aspirati Arredi di un laboratorio chimico

25 Arredi di un laboratorio chimico Armadi per sostanze infiammabili Sono utilizzati per immagazzinare sostanze solide e liquide infiammabili La struttura è in lamiera d acciaio con verniciatura epossidica antiacido. Una doppia lamiera inscatolata contiene una coibentazione ignifuga REI 180. Una guarnizione isolante si rigonfia in caso di incendio isolando la parte interna dell armadio dall esterno. Le porte sono dotate di valvola tagliafiamma con chiusura automatica se la temperatura supera i 50 C. I ripiani devono essere realizzati in acciaio inox e sono dotati di vasca di contenimento Devono essere dotati di elettroaspiratore con variatore di velocità All interno devono essere posizionati, sulla mandata dell aria filtri ai carboni attivi in grado di consentire una portata di 250 mc/h Le dimensioni devono essere stabilite in funzione della quantità di materiali da conservare

26 Arredi di un laboratorio chimico Armadi per sostanze infiammabili

27 Stoccaggio dei reagenti - Incompatibilità Prodotto Acetilene Acetone Acidi forti Acido acetico Acido cianidrico Acido cromico Acido fluoridrico Acido nitrico concentrato Immagazzinare separatamente da: Cloro, bromo, rame, fluoro, argento, mercurio Acido nitrico, acido solforico, perossido di idrogeno, cloroformio, bromoformio, metalli alcalini Basi forti Acido cromico, acido nitrico, acido perclorico, perossidi, permanganati, glicole etilenico Acido nitrico, alcali Acido acetico, canfora, naftalina, glicerina, trementina, alcool, liquidi infiammabili Ammoniaca Acetone, anilina, acido acetico, acido cromico, acido cianidrico, idrogeno solforato, liquidi e gas infiammabili

28 Stoccaggio dei reagenti - Incompatibilità Acido nitrico concentrato Acetone, anilina, acido acetico, acido cromico, acido cianidrico, idrogeno solforato, liquidi e gas infiammabili Acido ossalico Acido perclorico Acido solforico Ammoniaca (anidra) Ammonio nitrato Argento, mercurio Anidride acetica, bismuto e sue leghe, sostanze organiche combustibili Clorati, perclorati, permanganati di metalli alcalini Mercurio, cloro, ipoclorito di calcio, iodio, bromo, acido fluoridrico Acidi, polveri metalliche, liquidi infiammabili, clorati, nitriti, zolfo, sostanze organiche combustibili finemente suddivise Anilina Argento Bromo, cloro Acido nitrico, perossido di idrogeno Acetilene, acido ossalico, composti ammoniacali, acido tartarico, acido fulminico Acetilene, ammoniaca, butadiene, butano, metano, propano (e altri gas di petrolio), idrogeno, carburo di sodio, trementina, benzene, metalli finemente suddivisi

29 Calcio ossido Carbone attivo Clorati e perclorati Stoccaggio dei reagenti - Incompatibilità Acqua Ipoclorito di calcio, tutti gli agenti ossidanti Sali di ammonio, acidi, polveri metalliche, zolfo, sostanze combustibili finemente suddivise Cloroformio Fluoro Fosforo (bianco) Acetone, alcali, fluoro, metalli, metanolo Ogni sostanza Aria, ossigeno Idrazina Idrocarburi Idrogeno solforato Perossido di idrogeno, acido nitrico, agenti ossidanti Fluoro, cloro, bromo, acido cromico, perossidi Acido nitrico fumante, sostanze ossidanti Iodio Liquidi infiammabili Mercurio Ossigeno Acetilene, ammoniaca (anidra o acquosa), idrogeno Nitrato di ammonio, acidi inorganici, perossido di idrogeno, alogeni, sodio perossido Acetilene, acido fulminico, ammoniaca Idrogeno, tutte le sostanze combustibili o infiammabili

30 Stoccaggio dei reagenti - Incompatibilità Perossidi organici Perossido di idrogeno Potassio permanganato Rame Sodio nitrito Sodio perossido Acidi (organici o minerali) Rame, cromo, ferro, la maggior parte dei metalli e loro sali, alcool, acetone, anilina, sostanze combustibili o infiammabili Glicerina, glicole etilenico, benzaldeide, acido solforico Acetilene, perossido di idrogeno Sali di ammonio Tutte le sostanze ossidabili (alcoli, acido acetico glaciale, benzaldeide, solfuro di carbonio, ecc.)

31 Stoccaggio dei reagenti - Incompatibilità Ecco come non si deve fare!

32 Dotazioni generali di un laboratorio chimico Materiali e attrezzature di base E conveniente scegliere materiali ed attrezzature tenendo conto della versatilità di impiego In questo modo si può ottenere una significativa riduzione dei costi di investimento ed inoltre si può realizzare un grande di numero di esperienze Diverse delle esperienze proposte nel corso del progetto nazionale di orientamento e formazione possono essere eseguite impiegando le stesse attrezzature Per esempio : Sintesi di un colorante azoico Preparazione del sapone Estrazione del DNA dalla frutta Sintesi del Nylon Le leghe a memoria di forma

33 Dotazioni generali di un laboratorio chimico Materiali e attrezzature di base Vetreria Pompa da vuoto

34 Dotazioni generali di un laboratorio chimico Materiali e attrezzature di base Riscaldatori Piaccametro

35 Dotazioni generali di un laboratorio chimico Materiali e attrezzature di base Distillatore Bilance

36 Dotazioni generali di un laboratorio chimico Materiali e attrezzature di base Centrifuga Conduttivimetro

37 Attività sperimentale eseguibile con le precedenti dotazioni di base Distillazione frazionata Titolazioni Reazioni di doppio scambio Saponificazione Conducibilità elettrica nelle soluzioni saline Formazione composti binari Preparazione di soluzioni a titolo noto Diluizioni Reazioni di neutralizzazione Studio della polarità delle sostanze Separazione delle miscele eterogenee e omogenee Saggi di riconoscimento di alcune sostanze e saggi alla fiamma Solubilità, calore di soluzione, effetto della temperatura sulla solubilità, Concentrazione delle soluzioni Reazioni con formazione precipitati, sviluppo di gas, cambiamento di colore) Determinazione ph di soluzioni a diversa concentrazione

38 Segnaletica Dotazioni di sicurezza di un laboratorio chimico Segnaletica prescrittiva, informativa, orizzontale, emergenza, impianti di emergenza, divieto ( DL 493/96)

39 Dotazioni di sicurezza di un laboratorio chimico Dispositivi di protezione individuale ( DPR 547/55, D.Lgs 277/91, D.Lgs 626/94) Estintori Polvere, schiuma, Idranti Schermi di protezione Docce di sicurezza e lavaocchi

40 Sicurezza nel laboratorio chimico Le attività operative svolte nei laboratori chimici comportano inevitabilmente non solo la manipolazione di sostanze chimiche (reagenti, prodotti e sostanze), ma anche l'uso di utensili e apparecchiature di esercizio per lo svolgimento delle varie operazioni A queste attività sono connessi una serie di rischi derivanti dalle varie operazioni che si eseguono e tali da compromettere la salute degli operatori; rischi che possono essere sia di tipo infortunistico (legati per lo più ai rischi di lesioni traumatiche di natura fisica), sia di tipo igienico-ambientale (legati all'esposizione ad agenti e/o fattori nocivi potenzialmente presenti nell'ambiente di lavoro dei laboratori)

41 Sicurezza nel laboratorio chimico NORME DI COMPORTAMENTO La mancanza di informazioni e la disattenzione sono le cause principali degli incidenti che si verificano nei laboratori chimici E opportuno richiamare l attenzione sull importanza di questo aspetto espressamente previsto dal decreto legge 626/94 Diritto del docente Il diritto è dato dalla libertà di scelta sul tipo di esercitazione che intende effettuare e di avere una struttura adatta alla esecuzione della sua attività di laboratorio; il docente dovrà valutare la fattibilità dell esercitazione a priori e, qualora le difficoltà siano di difficile soluzione nell immediato, essere disponibile alla sostituzione dell esercitazione Dovere del docente Il dovere esplicito del docente è quello di dare informazioni agli studenti sulle operazioni che si svolgono in laboratorio e sulle norme specifiche di sicurezza relative alle esercitazioni che si svolgeranno e i rischi ad esse connessi.

42 Sicurezza nel laboratorio chimico Diritti dello studente Ha il diritto di essere informato sui rischi e sulle norme di sicurezza e comportamento intrinseci del laboratorio. Inoltre deve essere messo a conoscenza dei mezzi e delle misure di protezione individuali attivate nei laboratori ed in generale nella struttura scolastica Doveri dello studente Doveri dello studente Lo studente ha il dovere di informarsi sui rischi e l obbligo di ottemperare alle norme di sicurezza previste e a tutte le norme di comportamento

43 Sicurezza nel laboratorio chimico I rischi di infortuni più frequenti nei laboratori chimici risultano, da esperienze sul campo, essere i seguenti: - Rischi di lesioni per ferite da taglio - Rischi di lesioni da ustioni termiche - Rischi di lesioni connesse all'uso di apparecchiature sotto pressione o in depressione - Rischi di lesioni da elettrocuzione - Rischi di lesioni dovute alla manipolazione di sostanze chimiche Tra i rischi igienico-ambientali sono da evidenziare: Rischi dovuti ad agenti di natura fisica (rumore, vibrazioni, microclima, microonde, ) Rischi dovuti ad agenti di natura chimica (inalazione, fumi, nebbie, polveri, contatto, ingestione di sostanze chimiche e/o biologiche "dannose")

44 Preparazione di un biocarburante ( Biodiesel ) Reazione di transesterificazione Olio vegetale + KOH in soluzione metanolica o etanolica Separazione di fasi differenti Acido citrico o acetico Neutralizzazione Etanolo o Metanolo Glicerina Acqua saponata Distillazione per recupero sostanze volatili Biodiesel

45 Chimica della produzione del biodiesel una molecola di olio (trigliceride) si combina con 3 molecole di metanolo per dare una molecola di glicerolo e 3 molecole di acidi grassi liberi (biodiesel).

46 Materiali ed attrezzature necessarie Attrezzature Bilancia tecnica Pompa da vuoto Mantello riscaldante Agitatore meccanico Produttore ghiaccio Rotavapor o distillatore Reagenti Oli vegetali o grassi animali Soda caustica Acido citrico o acetico Vetreria e altri materiali Imbuti Cilindri graduati Beckers Cartine indicatrici ph Termometro Palloni per distillazione

47 Grazie per l attenzione!