Vetreria di laboratorio e relativi usi

Fonte: Laboratorio del Dr. Neal Abrams - SUNY College of Environmental Science and Forestry

La vetreria è un aspetto regolare nel laboratorio di chimica professionale, perché ha un costo relativamente basso, una durata estrema e livelli specifici di precisione. Mentre alcuni articoli da laboratorio vengono integrati con plastica o anche materiali da cucina di uso quotidiano, il vetro è ancora il materiale standard con cui viene svolto il lavoro di laboratorio. Mentre ci sono poche regole sulla vetreria, ci sono alcune best practice per l'uso che porsi le basi per buone tecniche in laboratorio.

Il vetro è onnipresente nel laboratorio di chimica, ma non tutto il vetro è uguale. Il vetro standard di qualità consumer è noto come vetro "soda-lime" o "float". È buono per molte applicazioni, ma si incrina sotto applicazioni di riscaldamento e raffreddamento rapide a causa di espansione / contrazione. Il vetro borosilicato viene utilizzato per risolvere questo problema in laboratorio. Realizzato con l'introduzione di piccole quantità di boro, il vetro borosilicato ha un coefficiente di espansione molto basso, che previene le sollecitazioni interne. Il nome commerciale più comune per il vetro borosilicato è Pyrex, lo stesso tipo di vetro utilizzato in alcuni prodotti da cucina.

Mentre il vetro borosilicato è termicamente robusto, le impurità presenti nel borosilicato e nel vetro standard portano a un intervallo di temperatura e qualità ottica limitati. La silice fusa, o quarzo, viene utilizzata in situazioni in cui il vetro deve essere riscaldato al di sopra di 450 °C o essere trasparente alla luce UV. La silice fusa è biossido di silicio chimicamente puro senza impurità e con un punto di fusione molto elevato superiore a 1.600 °C. Il modo più semplice per capire la differenza tra vetro borosilicato e silice fusa in laboratorio è guardare in basso l'asse lungo di un pezzo di vetro. Un colore verdastro è indicativo di impurità borosilicate, mentre la silice fusa è otticamente chiara e incolore.

La vetreria da laboratorio standard, come bicchieri e boccette, ha una precisione limitata di misurazione del volume, in genere ±5%. La vetreria volumetrica, tuttavia, è considerata molto accurata. Questa precisione è nota all'utente attraverso alcune diverse informazioni sulla vetreria. Per uno, una linea incisa o una marcatura del volume si trova in genere su vetreria volumetrica per indicare un volume. La prossima informazione è la temperatura alla quale la vetreria è accurata, in genere 20 °C. Questo è importante perché la densità (e il volume) di un liquido dipendono dalla temperatura. In terzo luogo, le notazioni "TD" o "TC" sono utilizzate per indicare rispettivamente "consegnare" o "contenere". Quando un pezzo di vetro è contrassegnato come "TD", viene calibrato per fornire con precisione il volume dichiarato, mentre il vetro con la marcatura "TC" contiene solo un volume specificato, ma non può essere trasferito a un altro recipiente in modo accurato.

I bicchieri possono essere sigillati utilizzando una varietà di tappi, in genere gomma, sughero o vetro. I tappi di gomma e sughero si inseriscono nei colli di vetro standard, anche se il sughero viene gradualmente eliminato e i nuovi tappi in neoprene stanno prendendo il sopravvento. I tappi sono di forma conica e si adattano come un cuneo nella vetreria. I tappi possono avere da 0 a 3 fori, consentendo il collegamento a tubi o l'inserimento di termometri e agitatori. Una variante del tappo è il setto, che può essere utilizzato per sigillare la vetreria e consente un facile accesso con un ago a siringa. Lo svantaggio della maggior parte dei tappi flessibili è che si rompono nel tempo, anche se i nuovi tappi in Teflon sono più robusti ma mancano della flessibilità fisica. I tappi in vetro sdinato vengono utilizzati per sigillare i palloni che hanno raccordi in vetro sradicato. Mentre la tenuta è molto buona, le connessioni vetro-vetro sono note per afferrare, quindi il grasso del giunto (vuoto, Krytox, ecc.) viene spesso utilizzato per impedirlo. I tappi in gomma sono dimensionati per numero, che va da 000 a 10, mentre i tappi in vetro sono dimensionati in base al diametro e alla lunghezza della sezione di tenuta. Ad esempio, un tappo contrassegnato come 24/40 ha un diametro di 24 mm nella sua parte più larga e 40 mm di lunghezza sul bordo affusotato, che si inserirebbe in un pallone con un'apertura 24/40.

Le connessioni tra i pezzi di vetro sono realizzate utilizzando una varietà di giunti in vetro sfuso tra cui un cono standard, una sfera e una presa e un O-ring. Il cono standard è il raccordo più comune. I giunti in vetro sono dimensionati per adattarsi l'uno all'altro e sono disponibili una varietà di adattatori di dimensioni. Come tutti gli altri giunti di vetro, il grasso è necessario per evitare il sequestro. Mentre il giunto può essere sigillato, non è una connessione meccanicamente forte e può cadere a pezzi. Per evitare che i pezzi di vetro si separtino, vengono utilizzate clip di connettore, che a volte vengono indicate come clip Keck. Queste clip sono codificate a colori per le dimensioni del giunto. Le alternative alle clip del connettore includono molle e fili.

Il serraggio e il supporto della vetreria sono una parte vitale di un esperimento di successo. Mentre alcuni pezzi di vetro, come i bicchieri e le fiasche Erlenmeyer, hanno fondi piatti che possono essere piatti su una piastra elettrica, altri pezzi di vetro, come i palloni a fondo tondo, devono essere supportati usando morsetti. Anche con la vetreria a fondo piatto, può essere fin troppo facile che qualcosa come un pallone di filtrazione sottovuoto cada. I morsetti metallici sono collegati al collo di un pezzo di vetro usando un morsetto a tre dita o un morsetto standard. L'altra estremità del morsetto viene quindi fissata a un supporto ad anello (o supporto di storta). Esistono altri morsetti per scopi speciali, come lo stile a catena per pezzi di grandi dimensioni o i morsetti a bagno d'acqua per i termometri. Il jack da laboratorio utilizza un'azione di forbice per sollevare o abbassare un pezzo di vetro. Questo è molto conveniente per oggetti grandi o pesanti e, se usato in combinazione con un anello di sughero, può anche essere usato per spostare palloni a fondo tondo.

Proprio come in cucina, acqua e sapone sono in genere utilizzati per pulire i bicchieri in laboratorio. Quando ciò fallisce, i solventi organici, come l'acetone, vengono talvolta impiegati per rimuovere i depositi organici appiccicosi e insolubili. Anche allora, alcuni composti aderiscono alla vetreria così bene che sono impossibili da rimuovere senza una qualche forma di incisione chimica. Nel caso di depositi organici contenenti carbonio, i bicchieri possono essere immersi in un bagno di base composto da un alcol (etanolo) e una base forte (idrossido di sodio). Questo bagno intacca sottili strati molecolari di vetro dalla nave, portando con sé i depositi ostinati. È molto importante non posizionare mai bicchieri volumetrici in un bagno di base, il che potrebbe portare all'incisione e a un cambiamento di volume. Quando un metallo è placcato o infuso in un pezzo di vetro, viene utilizzato un bagno acido fatto con un acido forte diluito, come l'cloridrico. La natura anfotera del vetro e l'ossidazione generale del metallo in acido portano al suo potere pulente. Indipendentemente dal tipo di bagno, sono necessarie 24-48 ore per un'efficace rimozione del deposito.

1. Vetreria per usi qualitativi

1. Becher
   1. Il becher è uno dei pezzi di vetro più comuni in laboratorio. Si tratta di un semplice contenitore cilindrico utilizzato per contenere solidi e liquidi con dimensioni che vanno da molto piccole (10 ml) a molto grandi (4.000 ml). Ha un labbro per facilitare il versamento e la decantazione dei liquidi. Le graduazioni sono approssimative, ma molto utili quando non sono necessari volumi esatti.
2. Boccette
   1. I palloni sono progettati in modo che il contenuto possa essere ruotato senza fuoriuscite. Sono inoltre facilmente muniti di tappi e spesso hanno le dimensioni del tappo scritte direttamente sul pallone.
   2. Pallone Erlenmeyer
      1. Il più comune di tutti i palloni, il pallone Erlenmeyer ha un fondo piatto con graduazioni approssimative. Il fondo piatto consente al pallone Erlenmeyer di essere riscaldato direttamente e utilizzato in semplici procedure di reflusso (ebollizione) e condensazione.
   3. Fiaschetta di Firenze
      1. Il pallone Florence è un ibrido tra il fondo rotondo e il pallone Erlenmeyer e varia da poche centinaia di millilitri a pochi litri di dimensioni. Le fiasche di Firenze possono avere un fondo piatto o un fondo rotondo, quindi le applicazioni variano dal riscaldamento diretto all'utilizzo di un mantello riscaldante. Non ha un giunto in vetro sradicato, quindi viene utilizzato un tappo per sigillare il contenitore. La forma arrotondata è migliore per le applicazioni che comportano l'ebollizione.
3. Provette
   1. Le provette sono vasi cilindrici relativamente piccoli utilizzati per immagazzinare, riscaldare e mescolare sostanze chimiche. Mentre la provetta è disponibile in dimensioni specifiche, è in genere utilizzata in procedure di osservazione qualitative.
4. Vetro dell'orologio
   1. Il vetro dell'orologio viene utilizzato quando è necessaria un'elevata superficie per un piccolo volume di liquido. Questo è comune per la cristallizzazione e l'evaporazione, così come altre procedure qualitative. Gli occhiali da orologio possono anche essere usati come coperture per i bicchieri, ma non come fiaschi.
5. Piatto di cristallizzazione
   1. Il piatto di cristallizzazione è un ibrido tra un vetro da orologio e la piastra di Petri (comune nelle procedure biologiche). Ha un basso rapporto altezza-larghezza, il che significa che i lati sono molto bassi rispetto alla larghezza della nave. Ciò consente aree superficiali elevate per l'evaporazione, ma il piatto di cristallizzazione è più comunemente usato come contenitore a breve termine per liquidi in una varietà di processi di bagno (acqua, acido o olio).

2. Vetreria per la misurazione

1. Cilindro graduato
   1. Il cilindro graduato viene utilizzato per misurare un volume semi-preciso di liquido. Sebbene non sia preciso come la vetreria volumetrica, è molto più preciso e preciso di un becher o di un pallone (entro l'1%). I volumi sono misurati sul fondo del menisco per le soluzioni acquose e sulla parte superiore del menisco per le soluzioni idrofobiche non acquose. I cilindri graduati sono pezzi di vetro "TD" di uso generale, in cui il volume di consegna è importante. Livelli più elevati di precisione richiedono vetreria volumetrica.
2. Vetreria volumetrica
   1. Utilizzato per realizzare soluzioni standardizzate (ad alta precisione), in cui la precisione è nota a quattro cifre significative.
   2. Boccette
      1. I palloni volumetrici sono un pilastro quando si prepara qualsiasi soluzione standardizzata. Poiché i volumi non sono necessariamente additivi, il pallone volumetrico viene utilizzato per realizzare soluzioni di volumi precisi. Il segno inciso sul collo della vetreria indica il volume ad alta precisione alla temperatura specificata. Una soluzione viene preparata aggiungendo abbastanza solvente per sciogliere il soluto, quindi il soluto viene aggiunto e sciolto. La soluzione viene quindi diluita fino al segno utilizzando il solvente. La soluzione viene miscelata durante tutto il processo di diluizione e talvolta richiede di essere posta in un bagno di ghiaccio in caso di dissoluzione esotermica (tipicamente acidi o basi forti). I palloni volumetrici variano in dimensioni da 1 mL a 4.000 ml e oltre.
3. Pipette
   1. Le pipette volumetriche sono note per l'alta precisione, come i palloni volumetrici, ma sono utilizzate per erogare liquidi, in genere nella preparazione di soluzioni in un pallone volumetrico. La pipetta ha anche un segno inciso che denota un volume preciso e la soluzione viene aspirata nella pipetta usando una lampadina a pipetta, mai per bocca.
4. Micropipette
   1. Le micropipette sono una classe specializzata di pipette volumetriche utilizzate per volumi molto piccoli da 1 μl a 1.000 μL. La micropipetta utilizza punte monouso in plastica, ma queste possono essere riutilizzate in situazioni appropriate. La maggior parte delle micropipette ha una gamma regolabile di volumi utilizzando azioni separate di prelievo ed erogazione sul corpo della pipetta. Il meccanismo per la regolazione, la determinazione dei limiti di volume e l'espulsione delle punte monouso varia a seconda del produttore.
5. Burette
   1. La buretta è un pezzo analitico di vetreria utilizzato per erogare volumi variabili (ma precisi) di liquidi. Comunemente trovata in chimica analitica, la buretta viene utilizzata in una varietà di esperimenti di titolazione.

3. Vetreria procedurale

1. Fiaschi a fondo tondo (bollente)
   1. I palloni a fondo tondo, o palloni bollenti, si trovano tipicamente negli esperimenti di sintesi, poiché la forma rotonda consente un riscaldamento e un agitazione anche. Il collo ha in genere un giunto femmina in vetro sradicato e può essere fissato a condensatori e altri pezzi di vetro. Per evitare fuoriuscite, il volume della soluzione non deve superare il 50% del volume del pallone. Le dimensioni vanno da 50 ml a 20.000 ml.
2. Imbuto separatore
   1. Mentre più comune al laboratorio di chimica organica, l'imbuto separatore viene utilizzato per separare liquidi di diverse densità e solubilità. Il fondo dell'imbuto separatore è molto stretto e porta a un rubinetto, consentendo separazioni precise dei liquidi, mentre la parte superiore è molto ampia per facilitare l'agitazione e la miscelazione.
3. Pallone filtrante (Büchner) (utilizzato per la filtrazione sotto vuoto)
   1. Il pallone filtrante sembra un pallone Erlenmeyer, ma ha un tubo vicino alla parte superiore per collegare un tubo del vuoto. Il pallone ha tipicamente pareti più spesse di un Erlenmeyer a causa della ridotta pressione (vuoto) utilizzata con il pallone. Gli imbuti sottovuoto (Büchner) si inseriscono nel collo del pallone utilizzando un collare di gomma o un tappo di gomma a 1 foro.
4. Imbuti (utilizzati per filtrare e trasferire)
   1. Gli imbuti tradizionali utilizzati per la filtrazione per gravità hanno un corpo largo a forma di cono, per l'aggiunta e il filtraggio di soluzioni, e un gambo lungo e stretto, per l'erogazione in un pallone. La carta da filtro viene piegata a forma di cono, inserita nell'imbuto e bagnata con un solvente (tipicamente acqua). L'imbuto in polvere ha uno stelo più ampio progettato per l'erogazione di solidi e liquidi viscosi. La carta da filtro viene utilizzata solo in combinazione con l'imbuto del filtro.
5. Ceramica
   1. Imbuto Büchner
      1. L'imbuto Büchner in ceramica si inserisce nel pallone filtrante (Büchner) utilizzando un cono di gomma o un tappo di gomma a 1 foro. L'imbuto è tipicamente realizzato in ceramica con fori a spillo nel fondo piatto. La carta da filtro viene posizionata sopra i fori e bagnata con solvente (acqua) per evitare che i solidi si infilino sotto la carta da filtro.
   2. Crogiolo
      1. Un crogiolo è fatto di ceramica e contiene piccole quantità di sostanze chimiche durante il riscaldamento ad alte temperature. A seconda del tipo specifico, il crogiolo può resistere a temperature superiori a 1.000 °C e viene utilizzato in combinazione con un bruciatore o un forno Bunsen. Gli usi comuni includono il riscaldamento di un solido idratato per rimuovere l'acqua o la combustione di un composto per determinare il contenuto organico.
   3. Mortaio e Pestello
      1. Mentre il mortaio e il pestello hanno avuto origine nei laboratori di chimica (e alchimia), è più comune in farmacologia, biologia e applicazioni culinarie. Realizzati in ceramica o pietra, i materiali vengono posti nel mortaio a forma di ciotola e macinati e schiacciati usando il pestello.

Mentre ci sono poche regole su come devono essere utilizzati i bicchieri, ogni pezzo di vetro è stato progettato per un insieme generale di procedure. Situazioni uniche creano una certa flessibilità nell'applicazione e quasi tutti i bicchieri possono essere ulteriormente adattati e personalizzati con l'assistenza di un soffiatore di vetro professionale.