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La vetreria e la strumentazione di uso comune nei laboratori scientifici (1° parte)

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di Sergio Barocci

moderno laboratorio di chimica biologicaIl laboratorio scientifico rappresenta un locale che è in grado di fornire condizioni controllate in cui si possono effettuare esperimenti scientifici, ricerche e misure ma anche preparazioni di sostanze chimiche e miscele.
Entrando in un laboratorio scientifico (Fig.1) si ha la possibilità di visualizzare tutte quelle attrezzature utili per eseguire un esperimento di tipo analitico.

 
Le attrezzature e le strumentazioni
L’attrezzatura in vetro può essere graduata e non graduata. Fin dal passato, il vetro è stato impiegato per la costruzione di apparati da esperimento in virtù delle ottime caratteristiche di questo materiale (buona resistenza ai prodotti chimici, trasparenza, relativamente semplice lavorabilità del materiale attraverso il calore) che però presenta come unico difetto la fragilità dei suoi manufatti. 
Gli strumenti costruiti in vetro vengono ancor oggi chiamati genericamente vetreria perché con questo nome si desidera indicare svariati apparecchi dalle forme ed usi molto variegati.

 

vetreria di laboratorio

vetreria di laboratorio

Vetreria di laboratorio
Banchi di lavoro di un laboratorio chimico con attrezzatura in vetro e strumenti di misurazione
Sono presenti anche attrezzature in porcellana, attrezzature metalliche, in legno, gomma, strumentazioni per la separazione e la miscelazione, strumenti per la misurazione, strumenti per lo scambio termico e strumenti di supporto. Di tutti questi strumenti il chimico deve conoscerne la modalità e la loro funzionalità.

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 in vetro più comuni in uso nei laboratori scientifici sono:
a) Non graduati : provette, becher, beute, palloni, imbuti, imbuti separatori , refrigeranti
b) Graduati: cilindri graduati, pipette, matracci, burette

 

VETRERIA NON GRADUATA

 

Provette
Le provette sono recipienti tubolari di piccole dimensioni chiusi ad una estremità (Fig.2). Hanno diametri compresi tra 8 – 18 mm e altezze tra 80- 100 mm. Le più comuni per ricerca sono in vetro chiaro, lunghe circa 15 centimetri e con un diametro di circa 2 centimetri ma ne esistono di diverse misure e materiali a seconda dell’uso. Esistono ad esempio provette fatte di vetro Pyrex adatte al riscaldamento su bruciatore Bunsen mentre le provette usate per il prelievo di sangue sottovuoto sono in materiale plastico PET ( in quanto il vetro si può rompere durante la centrifugazione) lunghe 13 centimetri e con un diametro di 7,5 o 10 millimetri (Fig. 2a e Fig. 2b) . Le provette servono per eseguire rapidi saggi analitici ad umido (reazioni chimiche condotte su piccole quantità di sostanza e osservarne lo sviluppo) cioè al campione contenuto in esse sono aggiunti i reattivi previsti e osservandone l’effetto come il viraggio di un indicatore o la formazione di un precipitato. Esistono anche provette graduate utilizzate per saggi quantitativi.

Provette di vetro per ricerca (sinistra) e provette per prelievi di sangue (destra)

Fig. 2 – Provette di vetro per ricerca (sinistra) e provette per prelievi di sangue (destra)

Le reazioni chimiche nelle provette in vetro per ricerca possono essere svolte sia a freddo che a caldo. In quest’ultimo caso è consigliata la manipolazione di queste provette con apposite pinze di legno. Infatti, quando la provetta viene portata alla fiamma di un becco Bunsen con le apposite pinze, il riscaldamento deve essere eseguito con cautela, posizionando la provetta in obliquo e facendo in modo che la fiamma sia diretta sulle pareti inferiori della provetta piuttosto che sul fondo, avendo cura di muoverla dolcemente in modo tale da rendere omogeneo il riscaldamento.

Provette Eppendorf

Fig. 3 – Provette Eppendorf

Provette Eppendorf
La provetta eppendorf, è una provetta da centrifuga dalle dimensioni variabili ( 250 μl – 2.0 ml) (Fig.3) . Sono spesso usate come provette monouso per piccole quantità di liquido in luogo delle provette di vetro, in quanto considerate materiale a basso costo da non riutilizzare. Sono realizzate in polipropilene; per questo possono essere utilizzate in un ampio intervallo di temperature e con solventi organici, come ad esempio 

Pinze da laboratorio
Le pinze da laboratorio servono per prendere degli oggetti senza esporsi a rischi (es. bruciature). Esistono due tipi di pinze: a) Le pinze di metallo con punte rotonde o all’insù , solitamente di acciaio inox e a seconda del loro utilizzo a curvatura differente. Vengono utilizzate solitamente per afferrare capsule e crogioli o capsule in ceramica; b) Le pinze di legno simili a delle mollette di legno ma con una impugnatura più lunga, in modo da agevolare il loro utilizzo.  Sono utilizzate soprattutto per sostenere le provette.

Pinze di metallo e di legno

Becco Bunsen
Il becco Bunsen o semplicemente Bunsen è un bruciatore utilizzato nei laboratori di chimica (Fig. 4). E’ formato da un cannello verticale solitamente in acciaio, fissato su una base metallica. E’ alimentato a gas di città o a gas metano. Il gas entra nel bruciatore attraverso un iniettore a ugello posto alla base dell’apparecchio.  E’ possibile regolare la quantità di gas mediante un apposito rubinetto. Nella parte inferiore, il cannello presenta due fori opposti ed è circondato da un manicotto anche esso fornito di due fori.  La quantità di aria aspirata e quindi immessa all’interno della canna del bruciatore, può essere regolata ruotando il manicotto. Se i fori presenti nel cannello e quelli presenti sul manicotto non coincidono, la quantità di aria miscelata con il gas è nulla e la fiamma è gialla e poco calda gialla e poco calda.

Becco Bunsen  e  la  sua fiamma  nelle varie condizioni  da riducente (1)  a ossidante (4) in funzione della posizione del manicotto

Fig. 4 – Becco Bunsen e la sua fiamma nelle varie condizioni da riducente (1) a ossidante (4) in funzione della posizione del manicotto

Se i due fori invece coincidono perfettamente, la quantità di aria miscelata con il gas è massima e la fiamma è di colore azzurro e calda. Sono in commercio anche becchi Bunsen con sistemi di sicurezza particolarmente indicati per laboratori scolastici. Infatti, se si dovesse spegnere la fiamma del bruciatore,essi sono muniti di valvola di sicurezza che interrompe immediatamente l’erogazione del gas.

Robert W. E. BunsenRobert W. E. Bunsen ( 1811 – 1899) : chimico e fisico tedesco. Perfezionò il bruciatore che ora porta il suo nome (becco Bunsen), inventato dal chimico – fisico britannico Michael Faraday.

La fiamma raggiunge la temperatura anche di 1410 °C, pari a 1683.15 K, quando è ossidante, e si divide in diverse zone a seconda della temperatura: la base della fiamma che raggiunge i 300 °C, la zona di fusione (che si ritrova a circa 2/3 dell’altezza della fiamma) che raggiunge i 1410 °C.
Oltre che come fonte di calore, il becco di Bunsen trova impiego anche nell’esecuzione dei saggi alla fiamma. Al giorno d’oggi esso è stato sostituito in molti utilizzi da riscaldatori elettrici (a piastra o manicotto) che hanno il vantaggio di essere più sicuri, facilmente controllabili e di non emettere prodotti di combustione che potrebbero interagire con le reazioni in atto.

Becher
Sono recipienti cilindrici a fondo piano di varia grandezza (25 – 1000 ml), con o senza becco, generalmente in vetro Pyrex ma talvolta anche in plastica (Fig. 5). I becher vengono utilizzati per diversi scopi tra cui i più importanti sono quelli di contenere ed eventualmente riscaldare e mescolare liquidi e soluzioni ma anche per processi di evaporazione, precipitazione, decantazione e filtrazione. Non possono essere invece utilizzati per riscaldare sostanze solide.
Il termine “becher” deriva dal tedesco e significa “bicchiere”. Se ne trovano in commercio sia di tarati che di graduati; la taratura però, se presente, è solo indicativa e quindi poco precisa.

Tipi di becher a varia grandezza

Fig. 5 – Tipi di becher a varia grandezza

Agitatore magnetico con piastra riscaldante
L’agitatore magnetico è uno degli strumenti di base di qualsiasi laboratorio scientifico ( Fig. 6) sotto i quali un’ancoretta magnetica può essere fatta ruotare a velocità regolabile sul fondo di un contenitore sul quale agisce un campo magnetico.

Vari tipi di agitatori magnetici con piastra riscaldante e ancoretta magnetica rivestita in teflon

Fig. 6 – Vari tipi di agitatori magnetici con piastra riscaldante e ancoretta magnetica rivestita in teflon

È opportuno quindi scegliere l’ancoretta magnetica più adeguata in relazione alla quantità e qualità di liquido in lavorazione nonché al tipo di contenitore utilizzato. Infatti, 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 per mezzo di una resistenza elettrica posta sotto il piano d’appoggio. 
Le temperature che possono essere raggiunte con la piastra riscaldante variano da poche decine di gradi fino a 300 °C a seconda della qualità professionale dello strumento.

Beuta
Sono recipienti di forma tronco-conica, con capacità diverse (10 – 1000 ml) e collo cilindrico con orlo normale o smerigliato. Si usano per raccogliere filtrati e per scaldare soluzioni (Fig. 7) . Hanno il vantaggio che una soluzione posta a bollire (lasciare sempre immerse delle sferette di vetro per evitarne il surriscaldamento) non si concentra troppo velocemente grazie alla loro forma. La forma e il collo stretto permettono di agitarne il contenuto senza spanderlo, quando si vuole evitare delle perdite di liquido per evaporazione. Tale caratteristica la rende di uso ottimale nell’ambito delle titolazioni. In microbiologia sono utilizzate nella produzione di colture microbiche. Esse possono essere comodamente otturate utilizzando una pellicola Parafilm o un tappo di gomma o di plastica.. Ne esistono in vetro chiaro, ma anche in vetro scuro o materiale plastico. Le beute in vetro Pyrex possono essere poste a riscaldare in contatto con la fiamma di un becco Bunsen, utilizzando un treppiede.

le beute

Fig. 7 – Le beute

Varianti della beuta classica sono: a) la beuta da vuoto (o beuta codata) (Fig.8 ) , che possiede un attacco laterale per un tubo da vuoto, utilizzata nella filtrazione con filtro Büchner o per altre filtrazioni sottovuoto e b) la beuta con tappo a smeriglio.
La prima beuta fu originariamente ideata da Emil Erlenmeyer nel 1861. Per questo motivo le beute sono denominate anche matracci di Erlenmeyer.

Emil ErlenmeyerRichard August Carl Emil Erlenmeyer, noto spesso semplicemente col nome di Emil Erlenmeyer (1825 – 1909), è stato un chimico tedesco. Scoprì e sintetizzò diversi composti organici quali l’acido isobutirrico , la tirosina , la guanidina, la creatina e la creatinina. Nel 1861 inventò la beuta. Fu uno dei primi chimici ad adottare le formule di struttura sulla base del concetto di valenza e propose quella che divenne la moderna struttura del naftalene, due anelli benzenici condensati; asserì l’uso del termine aromatico in riferimento ai composti con proprietà simili al benzene. Definì anche la struttura di composti quali l’acido lattico e l’acido idroacrilico , dei sali di diazonio e chiarì la struttura dei lattoni . Nel 1880 formulò la regola di Erlenmeyer : tutti gli alcoli nei quali il gruppo -OH è legato a un carbonio che porta un doppio legame danno aldeidi o chetoni (quella che viene oggi definita tautomeria cheto-enolica). Fu il primo a definire l’esistenza di doppi e tripli legami nella chimica del carbonio.

Beuta da vuoto o codata

Fig. 8 – Beuta da vuoto o codata

Collegando la beuta codata ad una pompa da vuoto (solitamente si tratta di una pompa ad acqua) è possibile effettuare una filtrazione molto rapida, nella quale il liquido passa attraverso il filtro mentre il solido si deposita sul filtro. Le dimensioni dell’imbuto devono essere rapportate alla quantità di precipitato da raccogliere, il quale, in ogni caso, deve coprire interamente la superficie filtrante dello stesso. Un imbuto analogo, ma che non richiede la carta da filtro, può realizzarsi in vetro con fondo poroso

Filtro Buchner
Il filtro Buchner (Fig. 9) è un imbuto filtrante di porcellana a fondo piano bucherellato e pareti robuste ma è anche disponibile in vetro o in plastica. Per effettuare la filtrazione, l’imbuto viene inserito, a tenuta mediante una opportuna guarnizione, su una beuta codata (beuta da vuoto). All’interno del fondo dell’imbuto, poggiato sulla parete bucherellata, si inserisce un disco di carta da filtro che deve essere subito inumidito e deve essere di dimensioni tali da toccare i bordi del filtro. Una pompa da vuoto, normalmente una pompa ad acqua, viene collegata tramite un tubo di gomma all’apposito attacco laterale sito sulla beuta. In queste condizione è possibile effettuare una filtrazione molto rapida sfruttando l’effetto di suzione, molto più energico rispetto alla classica filtrazione per gravità: il liquido passa attraverso il filtro e gocciola raccogliendosi all’interno della beuta, mentre sul filtro si deposita la fase solida contenuta. In tal modo, oltre all’evidente vantaggio relativo alla velocità, risulta possibile filtrare liquidi altrimenti difficilmente o poco efficacemente separabili. Il nome deriva dal chimico Ernst Büchner (1850 – 1924)

imbuto filtrante di Buchner

fIG. 9 – Imbuto filtrante di Buchner

 

Treppiede e reticella metallica con materiale refrattario

Fig. 10 – Treppiede e reticella metallica con materiale refrattario

Treppiede
Il treppiede è un supporto metallico utilizzato nei laboratori chimici con la funzione di sostenere becher, beute e crogioli di porcellana sottoposti a riscaldamento tramite il Becco di Bunsen. Su questi supporti si pongono delle reticelle metalliche di forma quadrata, costituite da un intreccio di fili di ferro, utilizzate per riscaldare contenitori di vetro. Alternativamente alle reticelle metalliche, è possibile porre sui treppiedi dei sostegni a triangolo. Si tratta di sostegni triangolari di filo di ferro . 

pallone di vetro

Fig. 11 . Pallone di vetro

Palloni
Sono dei recipienti di forma sferica, con collo lungo e fondo tondo o più raramente piano, con capacità in genere da 5 a 1000 ml. (Fig. 11) Il collo può essere normale o smerigliato. Sono comunemente utilizzati per l’evaporazione del solvente.  Hanno un uso simile a quello delle beute.

Palloni per distillazione
I palloni codati per distillazione o palloni codati sono analoghi ai palloni precedenti ma il collo in questo caso è munito di una tubulatura laterale. Come tali fanno parte integrante degli apparecchi per la distillazione.
Sostegni per palloni
I sostegni per palloni sono utilizzati per fornire una base di appoggio al pallone. Sono in materiale refrattario, in gomma o in sughero. Sono utilizzati come supporto per palloni e devono essere antiscivolo, morbidi e avere una buona resistenza termica.

 

Spruzzette in polietilene (sinistra) e in vetro (destra)

Fig. 10 – Spruzzette in polietilene (sinistra) e in vetro (destra)

Spruzzetta
La spruzzetta è una bottiglia cilindrica di plastica flessibile in polietilene con coperchio avvitato, attraverso cui passa un tubo ripiegato e terminante a punta sottile. La semplice pressione della mano sulla bottiglia consente la fuoriuscita del liquido (in genere acqua distilla ) sotto forma di getto sottile per il lavaggio di recipienti, precipitati . Tra le spruzzette rientrano anche determinate bottiglie in vetro, chiaro o ambrato, corredate di tappo a tenuta, nel quale sono inseriti due tubi: uno, a punta, per il dosaggio e uno corredato di pompetta per creare la pressione necessaria a trasferire il liquido. Il tubo di vetro più lungo pesca sul fondo del recipiente ed esternamente è piegato ad angolo acuto. Il secondo, molto più corto, non pesca all’interno del liquido ed esternamente è piegato ad angolo ottuso. Soffiando all’interno del tubicino più corto, il liquido esce dal primo tubo sotto forma di getto sottile (Fig.12 a e Fig.12 b).

Imbuto
Gli imbuti sono attrezzature di forma conica a gambo corto o a gambo lungo che vengono utilizzati nei laboratori di chimica per il travaso di liquidi da un contenitore a bocca larga ad un contenitore a bocca stretta (per esempio beute e provette). Molto spesso vengono utilizzati anche nel processo di filtrazione (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 recuperare 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 (Fig.12a , Fig.12 b, Fig.12 c).
Quelli in uso nei laboratori di chimica sono solitamente in vetro, materiale che garantisce inerzia chimica, perfetta resistenza agli acidi e alle basi, ottima lavabilità; talvolta sono anche in plastica. Un tipo particolare di imbuto utilizzato per la separazione di liquidi immiscibili è l’imbuto separatore.

Imbuti di vetro (sinistra), filtro liscio (centro), filtro a pieghe (destra)

Fig. 12 – Imbuti di vetro (sinistra), filtro liscio (centro), filtro a pieghe (destra)

Processo di filtrazione
La filtrazione è una pratica di laboratorio utilizzata sia per scopi separativi specie quando si vogliono eliminare delle impurezze solide da liquidi o soluzioni e sia per scopi sintetici quando invece si vuole isolare un composto precipitato da una soluzione o cristallizzato. Esistono due metodiche per condurre una filtrazione in laboratorio: la filtrazione per gravità e la filtrazione sottovuoto. La filtrazione per gravità sfrutta l’azione della gravità per separare il fluido dalla fase solida, che viene trattenuta su di una carta da filtro.

Processo di filtrazione per gravità

Fig. 13 – Processo di filtrazione per gravità

Filtrazione per gravità (Fig. 13)
• Disporre l’imbuto scelto sull’anello e porvi sotto il Becher o la beuta di dimensioni adatte a raccogliere il filtrato;
• preparare un filtro che non sporga dall’imbuto e bagnarlo con un po’ di solvente fresco (lo stesso che verrà filtrato);

• versare sul filtro la sospensione di solido e liquido da filtrare aiutandosi con una
bacchetta di vetro;
• risciacquare la beuta con solvente fresco per recuperare le ultime
particelle di prodotto e versare anche queste sul filtro;
• quando dall’imbuto non gocciola più solvente, lavare filtro e precipitato con un po’ di solvente fresco.

il processo di filtrazione sotto vuoto

Fig. 14 – Il processo di filtrazione sotto vuoto

La filtrazione sottovuoto è una metodica più rapida, l’effetto è maggiore rispetto a quello per gravità ma richiede una vetreria a tenuta, l’adattamento della carta da filtro e un sistema che generi un vuoto non troppo spinto (come una pompa ad acqua o una pompa meccanica a vuoto). La vetreria utilizzata comprende l’imbuto Büchner e una beuta codata di raccolta.

Imbuto separatore
Serve a separare due liquidi o soluzioni tra loro immiscibili (es. acqua e olio) (Fig. 14). All’interno dell’imbuto separatore, i due liquidi si stratificano: sul fondo del recipiente si depositerà il liquido con densità maggiore mentre in superficie rimane il liquido più leggero.

 

imbuto separatore

Fig. 14 – Imbuto separatore

Come si utilizza un imbuto separatore
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 sino a che 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. Ne esistono in commercio di varia capacità: dai 100 ml ai 2000 ml.

 

 

 

 

 

4 risposte a La vetreria e la strumentazione di uso comune nei laboratori scientifici (1° parte)

  • Alberto Masera scrive:

    Alberto Masera
    22 sett. 2017
    Nella filtrazione sotto vuoto consiglio di introdurre un vaso di compensazione fra la pompa a vuoto e la beuta codata, perché nel caso di pompa ad acqua e di riduzione della pressione della corrente d’acqua, potrebbe avvenire un riflusso di quest’ultima che si introduce nella beuta codata e inquinerebbe il filtrato.

  • melissa vaglienti scrive:

    belle le descrizioni ma mancano parecchi strumenti da farci conoscere

  • Giosuè scrive:

    Utilissimo

  • marcello vullo scrive:

    grazie mille
    questo sito é molto utile

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