Il laboratorio di chimica

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1 Il laboratorio di chimica Il laboratorio scientifico è un locale che fornisce condizioni controllate nel quale possano essere effettuati esperimenti scientifici, ricerche e misure. Michael Faraday fisico e chimico del XIX secolo nel suo laboratorio (Fonte: Wikipedia)

2 Le attrezzature e le strumentazioni NON GRADUATA Attrezzatura in vetro; GRADUATA Attrezzature in porcellana; Attrezzature metalliche, in legno, gomma; Strumentazioni per la miscelazione; Strumenti per la misurazione; Strumenti per lo scambio termico;

3 VETRO Solido amorfo ottenuto per solidificazione di un liquido senza cristallizzazione. Possono formare vetri solo i materiali che hanno una velocità di cristallizzazione molto lenta. COMPONENTI DEL VETRO COMUNE Diossido di silicio (SiO2 ) Diossido di germanio (GeO2 ) Anidride borica (B2O3 ), Anidride fosforica (P2O5 ), Anidride arsenica (As2O5 ). Sostanze aggiunte: - Fondenti: abbassano la temperatura di fusione e migliorano la fluidità del vetro durante la sua produzione (ossidi di sodio e potassio); - Stabilizzanti: migliorano le proprietà chimiche e meccaniche del vetro prodotto (ossidi calcio, bario, magnesio e zinco); - Affinanti: agevolano l'eliminazione di difetti - Coloranti: modificano l'aspetto cromatico del vetro prodotto - Decoloranti - Opacizzanti Proprietà del vetro - Trasparenza alla luce visibile ma non all UV - Durezza - Inerzia dal punto di vista chimico e biologico - Fragilità

4 VETRO BOROSILICATO (PYREX, SCHOTT-DURAN) Viene prodotto mediante sostituzione degli ossidi alcalini da parte del boro nel reticolo vetroso della silice. Il boro è aggiunto sotto forma di borace (Na2B4O7 ) o acido borico (H3BO3 ). Quando l'ossido di boro entra nel reticolo della silice, ne indebolisce la struttura e ne abbassa considerevolmente il punto di rammollimento. Viene prodotto da una fusione a 1500 C, lavorato e successivamente temprato con cottura in forno a C. CARATTERISTICHE: - alta resistenza agli shock meccanici, - non si rompe facilmente come il vetro normale per le sue caratteristiche intrinseche e per la tempera - basso coefficiente di dilatazione e quindi particolarmente resistente agli shock termici (regge temperature fino a 300 C) - alta resistenza alla corrosione per via della sua superficie non porosa quindi inattaccabile dagli acidi - si pulisce facilmente senza graffiarsi.

5 Attrezzature in vetro Il vetro utilizzato per la costruzione di oggetti da laboratorio è in genere resistente all azione di acidi, alcali ed agenti chimici. Per oggetti che devono essere riscaldati o sottoposti a sbalzi termici bruschi si usano vetri di tipo Pirex, un vetro borosilicato con aumentate caratteristiche termiche ed elettriche. Gli oggetti più comuni in uso nei laboratori chimici sono: provette bicchieri o becher beute palloni imbuti imbuti separatori refrigeranti VETRERIA NON GRADUATA cilindri graduati pipette matracci buretta VETRERIA GRADUATA

6 VETRERIA NON GRADUATA Provette La provetta è un recipiente tubolare di piccole dimensioni (diam mm, alt mm), servonoper eseguire prove e reazioni su piccole quantità di sostanza. Esistono anche graduate e sono utilizzate per saggi quantitativi. Fonte: Becher Sono recipienti cilindrici di varie grandrezze ( ml), con o senza becco, generalmente in vetro Pyrex. In essi si raccolgono e si scaldano soluzioni, si sciolgono sostanze, si fanno avvenire reazioni e si eseguono prove. Generalmente si trova graduato, ma a causa di un diametro piuttosto grande le graduazioni vengono utilizzate solo a scopo indicativo. Fonte:

7 Fonte: Beuta Sono recipienti di forma tronco-conica, con capacità diverse ( ml) e collo cilindrico con orlo normale o smerigliato. Si usano per raccogliere filtrati e per scaldare soluzioni. Hanno il vantaggio che una soluzione posta a bollire (lasciarvi sempre immerse delle sferette di vetro per evitarne il surriscaldamento) non si concentra troppo velocemente grazie alla loro forma. Palloni Hanno forma sferica, con fondo tondo o più raramente piano, con capacità in genere da 5 a 1000 ml. Possono avere collo normale o smerigliato. Sono comunemente utilizzati per l evaporazione del solvente. Fonte:

8 Imbuto Serve essenzialmente per effettuare filtrazioni, metodo impiegato per separare un solido da un liquido. Il filtrato si raccoglie in una beuta o un Becher. Con la carta da filtro si preparano filtri lisci, se interessa recuparare il solido, o a pieghe se interessa solo il filtrato. I filtri a pieghe presentano una superficie utile maggiore di quelli lisci e consentono un'operazione più veloce. Fonte: Fonte: Filtro a pieghe Fonte: Filtro liscio

9 RUBINETTO Imbuto separatore Servono a separare due liquidi o soluzioni tra loro immiscibili. Le due fasi vengono introdotte nell'imbuto separatore con un imbuto per la filtrazione attraverso il collo superiore, chiudibile con un tappo di plastica; si attende finche' le due fasi sono decantate e ben separate. Dopo di che si leva il tappo, e la fase inferiore si cala attraverso il rubinetto, mentre la fase superiore si versa attraverso il collo superiore. Fonte: Refrigeranti Sono tubi di vetro circondati da una camicia pure di vetro saldata al tubo, in modo che nell'intercapedine così formata sia possibile fare circolare dell'acqua proveniente da un rubinetto tramite un tubo di gomma. I vapori che passano nel refrigerante vengono così raffreddati e si condensano. CAMICIA ALL INTERNO DELLA QUALE CIRCOLA ACQUA Fonte:

10 Unità di misura del volume L unità di misura del volume è il litro (L), definito come 1 dm 3 ; il millilitro è un millesimo di litro, o un cm 3.

11 Vetreria graduata

12 Fonte: VETRERIA GRADUATA Cilindri Il cilindro graduato è uno degli strumenti di precisione media che il chimico utilizza in laboratorio. Si tratta di un tubo con una estremità chiusa e dotata di supporto e l'altra aperta con un piccolo beccuccio per facilitare le operazioni di travaso. È generalmente costruito con vetro borosilicato o vetro pyrex e viene usato per misurazioni o dosaggi di volumi di liquidi. Pipetta Mediante una pipetta il quale è possibile prelevare quantità definite o non definite di un liquido. Le pipette tarate presentano una scala graduata che permette di misurare la quantità esatta di liquido prelevato. Nella misura è prevista dal costruttore una tolleranza, o errore sistematico, che ne inficia la precisione e che è funzione di vari fattori, come il grado di precisione della scala graduata, la capienza della pipetta, la tipologia di materiale usato. LINEA DI FEDE Fonte:

13 Fonte: Matraccio Un matraccio è un recipiente tarato, provvisti di tappo ermetico, sono contenitori il cui volume è fisso ed indicato da una tacca sul collo. Vengono usati per la preparazione di soluzioni a titolo noto. Sono tarati per "riempimento" e generalmente, oltre al volume di taratura viene indicata sul matraccio la tolleranza di misura del volume (accuratezza, o sensibilità) e la temperatura alla quale la taratura è stata effettuata (normalmente 20 C). Per portare a volume la soluzione in un matraccio occorre riempirlo fino a quando il menisco inferiore della soluzione di riempimento diventa tangente alla tacca di misura tracciata sul collo del matraccio stesso.

14 MENISCO Buretta È uno strumento di misurazione costituito da un tubo si vetro graduato utilizzato nei laboratori chimici per la misurazione accurata di liquidi. Viene riempita caricandola dall alto e dosando esattamente il volume di soluzione agendo sul rubinetto posto in fondo. Viene utilizzata di solito nelle titolazioni ed in prove sperimentali in cui è necessario dosare un liquido con precisione. Le burette sono classificate per precisione, le burette di classe A sono precise fino a 1/20 di millilitro (± 0,05). Fonte:

15 Attrezzature in porcellana capsule in porcellana mortai in porcellana

16 Capsule in porcellana Con pareti esterne verniciate o no, con fondo piatto o tondo, servono a far bollire, concentrare e/o portare a secchezza soluzioni. Mantengono una massa costante, entro i limiti dell errore sperimentale. Fonte: Mortai in porcellana Servono per pestare, polverizzare e mescolare sostanze solide. Fonte:

17 Attrezzature metalliche, in legno, gomma sostegni metallici pinze da crogiolo spatole palle di peleo o propipetta altre attrezzature minute comprendono gli anelli di sughero o di gomma per sostenere palloni o recipienti a fondo tondo.

18 Sostegno metallico Sono costituiti da una sbarra verticale e da un basamento pesante e servono per il montaggio delle apparecchiature. Fonte: Pinze da crogiolo Servono ad afferrare oggetti caldi. Fonte: Spatole Le spatole di metallo, corno, ecc. vengono usate per maneggiare sostanze solide. Fonte:

19 Fonte: Palla di Peleo La palla di Peleo è uno strumento utilizzato nel prelievo di liquidi. È composta da un piccolo palloncino di gomma su cui sono state applicate tre valvole a sfera, attivabili con la semplice pressione delle dita. Si monta la palla di Peleo sull'estremità superiore della pipetta; premendo la valvola "A" si sgonfia il palloncino creando una depressione, la pipetta viene immersa nel liquido da aspirare e si preme la valvola "S" (dall'inglese suck) o "B". Non si deve mai usare la bocca per aspirare perché c è la possibilità di aspirare il liquido che si sta pipettando.

20 Strumenti per la miscelazione Agitatore magnetico Fonte: Sono piastre sotto le quali un ancoretta magnetica può essere fatta ruotare a velocità regolabile. La dimensione e la forma dell ancoretta magnetica determinano l efficacia dell agitazione stessa a parità di velocità di agitazione, per cui è opportuno scegliere la più adeguata in relazione alla quantità e qualità di liquido in lavorazione nonché al tipo di contenitore utilizzato. Spesso questi apparecchi incorporano la funzione di piastra riscaldante. REGOLAZIONE DELLA TEMPERATURA REGOLAZIONE DELLA VELOCITA ANCORETTA MAGNETICA RIVESTITA IN TEFLON Fonte:

21 Becco Bunsen Il bunsen è un bruciatore per gas da laboratorio la cui funzione è quella di produrre una singola fiamma dalla combustione di gas naturale. Il bunsen è costituito dalle seguenti parti principali: - un basamento abbastanza ampio; - un tubo verticale metallico, o cannello, che presenta due fori nella parte bassa per l ingresso dell aria; - una ghiera girevole, metallica, dotata di due aperture circolari, che permette di chiudere o lasciare aperti i fori del cannello; - una manopola di apertura e regolazione del flusso di gas; - una valvola di sicurezza che blocca la fuoriuscita del gas in caso di spegnimento della fiamma; - una termocoppia di sicurezza che fa chiudere la valvola se la fiamma si spegne - un condotto di ingresso del gas cui si inserisce un tubo in gomma che collega il bunsen all impianto di distribuzione del gas nel laboratorio.

22 Becco bunsen La struttura del bunsen consente, attraverso una ghiera ruotabile, di variare il flusso dell aria, e quindi dell ossigeno, durante la combustione, per cui si possono avere due tipi di fiamme: - fiamma ossidante, molto calda, fino a circa 1500 C, di colore azzurro chiaro e forma regolare a punta di lancia, poco visibile, conseguente alla combustione completa del gas miscelato con l aria (figura a sinistra); - fiamma riducente, poco calda, con temperature di circa 400 C, di colore giallo-arancio e forma fluttuante, ben visibile, prodotta dalla combustione incompleta del gas per chiusura o riduzione dell afflusso d aria (figura a destra). La fiamma di lavoro è normalmente quella ossidante che, però, per le sue caratteristiche, comporta maggiori rischi. Pertanto, quando nel laboratorio non sono disponibili sistemi che permettono, ad esempio attraverso sensori o comandi a pedale, di attivare o meno la fiamma, conviene, nei momenti di uso non diretto, chiudere l afflusso d aria regolato dalla ghiera girevole e mantenere la fiamma riducente, che è più sicura, essendo meno calda e maggiormente visibile.

23 Procedura d uso Becco bunsen - Posizionare il bunsen al centro del tavolo di lavoro, controllando che il tubo di gomma sia ben inserito e fissato al condotto di ingresso del bunsen; - attivare l erogazione del gas nel laboratorio operando sui dispositivi di apertura/chiusura, specifici dell impianto istallato; - ruotare la ghiera del bunsen in modo da chiudere l ingresso dell aria nel cannello e accenderlo con fiamma riducente; - aprire il rubinetto che regola l afflusso del gas al proprio bunsen di lavoro; - collocarsi a debita distanza e non con il viso, sopra al bunsen; - avvicinare un fiammifero o un accendino accesi all imboccatura del bruciatore (o avviare l accensione piezoelettrica) e aprire leggermente la manopola del bunsen per fare entrare il gas; - contemporaneamente tenere premuto, per alcuni secondi, il pulsante della valvola di sicurezza, per far scaldare la termocoppia ed evitare la chiusura della valvola stessa; - regolare, per mezzo della manopola, l altezza della fiamma; - utilizzare la fiamma ossidante per lavorare e quella riducente nei momenti di riposo ; - appena terminato il lavoro chiudere, prima della manopola del bunsen, il rubinetto di distribuzione, in modo da bruciare tutto il gas presente nella tubazione.

24 La misura della massa La massa inerziale m i di un corpo definita dalla seconda legge di Newton come costante di proporzionalità tra la forza è l accelerazione. F = m * a In fisica classica la forza peso agente su un corpo (oppure, più brevemente, il suo peso) è la forza di attrazione che su di esso applica un campo gravitazionale. Quindi: m = P/g P = m * g Secondo il Sistema Internazionale la massa si misura in Kg, nel sistema CGS l unità di massa è il grammo.

25 Strumenti per la misurazione Lo strumento per la misurazione della massa è la bilancia analitica, divisibile in tre categorie: macrobilancia, ha una capacità massima che oscilla tra i 160 ed i 200 grammi, le misure possono essere eseguite con una deviazione standard di ± 0,1 mg; bilancia semi-microanalitica, con un carico massimo da 10 a 30 g ed una precisione di 0,01 mg, bilancia microanalitica, ha una capacità da 1 a 3 g ed una precisione di 0,001 mg.

26 MACROBILANCIA Fonte: MICROBILANCIA Fonte:

27 Precauzioni nell uso di una bilancia analitica 1. Portare a bolla la bilancia prima di ogni operazione di pesatura. 2. Centrare il carico sul piatto; 3. Proteggere la bilancia dalla corrosione; 4. Tenere scrupolosamente pulite la bilancia e la sua custodia; 5. Lasciare sempre che un oggetto che è stato riscaldato torni a temperatura ambiente prima di tentare di pesarlo; 6. Usare pinze o tamponi per le dita per evitare che gli oggetti prendano umidità; Portare a bolla la bilancia vuol dire allineare la bilancia in maniera tale che la bolla d aria di trovi al centro della livella. Le correzioni possono essere effettuate con piedini regolabili. Fonte:

28 Parti base del ph metro SONDA PER LA TEMPERATURA SONDA PER LA MISURAZIONE DEL ph DISPLAY Fonte: ph-metro Un tipico ph-metro consiste di una sonda (elettrodo a vetro) collegata ad un dispositivo elettronico che raccoglie il segnale della sonda, calcola il valore di ph corrispondente e lo rappresenta sul display. Spesso le sonde immerse nella soluzione sono due: oltre all elettrodo viene immersa anche una sonda di temperatura, il cui compito è correggere la lettura dell elettrodo in funzione dell effettiva temperatura del campione. Il circuito del misuratore fondamentale è un voltmetro che mostra i risultati i scala di unità di ph anziché in volt. Prima di essere impiegato il ph-metro deve essere calibrato con due o tre soluzioni tampone standard. Nella calibrazione a due punti si usa una soluzione tampone a ph 7,01 e una a ph 10,01; in quella a tre punti si aggiunge anche una terza soluzione tampone a ph 4,01. Terminata la calibrazione, l elettrodo viene sciacquato con acqua distillata, asciugato e immerso nel campione. L elettrodo a vetro è generalmente conservato immerso in una soluzione a ph 3 per impedire che la membrana di vetro si secchi; si tende ad evitare l uso di acqua distillata perché potrebbe estrarre per osmosi gli ioni idrogeno presenti all interno dell elettrodo.

29 Pulizia della vetreria di laboratorio Le superfici di vetro pulite mantengono uno strato sottile uniforme, che garantiscono la fedeltà del volume contrassegnato dalle ditte sulle attrezzature volumetriche. Lo sporco e l unto provocano l interruzione di questo strato sottile, per cui un breve ammollo in soluzione detergente calda è normalmente sufficiente a rimuovere queste impurezze. Dopo che la vetreria è stata abbondantemente risciacquata con acqua di rubinetto, deve necessariamente essere avvinata con acqua deionizzata. Raramente è necessario asciugare il materiale volumetrico prima dell uso, in quanto questa operazione è uno spreco di tempo oltre che una potenziale fonte di contaminazione.

30 LE DIMENSIONI DELLE STRUTTURE DEI VIVENTI 1 millimetro = 10-3 metri CELLULE μm 1 micrometro = 10-6 metri 1 nanometro = 10-9 metri

31 MICROSCOPI Dimensione media cellula: μm cellula eucariotica 1-10 μm cellula eucariotica Potere di risoluzione dell occhio umano: Circa 100 μm

32 Immagine virtuale Il microscopio semplice, ovvero la comune lente di ingrandimento, è costituito da una singola lente convergente (biconvessa). Posto l oggetto tra la lente e il secondo fuoco, si forma un'immagine virtuale dell'oggetto, ingrandita e non capovolta. Il microscopio composto è costituito da due lenti convergenti poste sullo stesso asse ottico. La prima, detta obiettivo, ha lo scopo di produrre un'immagine reale e fortemente ingrandita dell'oggetto sulla quale la seconda lente, detta oculare, agisce come un microscopio semplice, producendone un'immagine virtuale ulteriormente ingrandita. Perchè ciò possa succedere, l'immagine reale prodotta dall'obiettivo deve cadere tra il primo fuoco dell'oculare e l'oculare stesso. L'immagine reale prodotta da una lente risulta capovolta rispetto all'oggetto.

33 Microscopio Stereoscopico

34 Microscopio ottico composto

35 Microscopio ottico composto

36 Tavola periodica degli elementi

37 37 La quantità di materia in chimica La mole (mol) è la quantità di sostanza pura che contiene un numero di unità elementari (atomi, molecole, ioni, elettroni) esattamente uguale al numero di atomi contenuti in 12 g di carbonio 12 C. La mole (simbolo mol) è l unità di misura della quantità di sostanza nel Sistema Internazionale. Una mole di una qualunque sostanza contiene 6, unità elementari.

38 La costante di Avogadro Il numero di unità elementari contenute in una mole di sostanza è detto costante di Avogadro o semplicemente, numero di Avogadro (N A ): N A = 6, particelle / mol Numero di particelle (N p ) = n (mol) N A (particelle/mol) N (mol) = N p / N A

39 La costante di Avogadro La massa in grammi di una mole di una sostanza è numericamente uguale al peso atomico o molecolare della sostanza stessa. La massa in grammi di una mole è detta massa molare (M) e la sua unità di misura è grammi/mole (g/mol). numero di moli (mol) = m (g) / M (g/mol) m (g) = n (mol) M (g / mol)

40 4.2 La costante di Avogadro 40