Introdução
Quero mostrar neste tópico as regras simples de manuseio, o passo a passo e o manual em vídeo do banho de dewar de gelo seco com preparação de acetona. Espero que este tópico o ajude a ter mais confiança e segurança nos procedimentos de síntese em baixa temperatura. O manuseio do nitrogênio líquido (N2) em laboratório é a segunda parte do tópico sobre agentes de banhos de resfriamento.
Geral
Um banho de resfriamento, na prática da química de laboratório (geralmente, mas nem sempre, da química orgânica), é uma mistura líquida usada para manter baixas temperaturas, geralmente entre 13 °C e -196 °C. Essas baixas temperaturas são usadas para coletar líquidos e, em seguida, para a síntese. Essas baixas temperaturas são usadas para coletar líquidos após a destilação, para remover solventes usando um evaporador rotativo ou para realizar uma reação química abaixo da temperatura ambiente (consulte: controle cinético).
Os banhos de resfriamento geralmente são de dois tipos: (a) um fluido frio (particularmente nitrogênio líquido, água ou até mesmo ar) - mas, mais comumente, o termo se refere a (b) uma mistura de 3 componentes: ( 1) um agente de resfriamento (como gelo seco ou água gelada); (2) um líquido "transportador" (como água líquida, etileno glicerol acetona, etc.), que transfere calor entre o banho e o recipiente; e (3) um aditivo para diminuir o ponto de fusão do sistema sólido/líquido.
Um exemplo conhecido disso é o uso de uma mistura de gelo e sal-gema para congelar sorvete. A adição de sal reduz a temperatura de congelamento da água, diminuindo a temperatura mínima que pode ser atingida somente com gelo.
Reduzir a solução de qualquer solvente por meio da redução da temperatura é química e física básicas. Isso se aplica a qualquer soluto em um solvente. Muitas substâncias dissolvidas em outra afetam seu ponto de congelamento, como no anticongelante ou no sal em água, e geralmente aumentam seus pontos de ebulição e congelamento, bem, a menos que haja uma reação endotérmica, como uma embalagem fria que usa nitrato de amônia ou ureia em água, ou exotérmica, como uma embalagem de refeição pronta para comer. Desejamos reduzir a temperatura para diminuir a solubilidade do nosso solvente e efetuar a cristalização, além de poder reciclar o solvente várias vezes. De particular importância é que os pontos de congelamento da nafta e da acetona estão abaixo da temperatura do gelo seco, -109,3 °F ou -78,5 °C.
Os banhos de gelo seco com acetona são uma técnica de laboratório comum, pois a acetona não congela à temperatura do gelo seco, 109,3 °F ou -78.5 °C e a acetona conduz a energia térmica para longe do solvente em um recipiente vedado (cuidado com a acetona que ataca prontamente muitos plásticos, portanto, recomenda-se o uso de vidro ou metal). Se você tiver um recipiente aberto, a água da umidade pode condensar e dissolver os cristais após o retorno à temperatura ambiente, o que pode exigir uma secagem prolongada. Isso é frequentemente usado para evitar a ebulição (em temperatura ambiente) de substâncias de baixo ponto de ebulição (como éter/amônia que foram destilados). O uso de gelo seco na água não é totalmente ineficaz, nem o gelo seco sozinho, mas nenhum dos dois conduz o calor quase tão rapidamente.
Todos os usuários de dióxido de carbono, sólido ou gelo seco devem revisar este tópico antes do uso. O gelo seco é a forma sólida do dióxido de carbono que está disponível em flocos, pellets ou blocos e não é combustível. Ele é usado com mais frequência para resfriamento rápido de materiais ou envio de amostras biológicas. Ele apresenta riscos exclusivos para aqueles que trabalham com ele ou ao seu redor - esses riscos são abordados a seguir.
Os banhos de resfriamento geralmente são de dois tipos: (a) um fluido frio (particularmente nitrogênio líquido, água ou até mesmo ar) - mas, mais comumente, o termo se refere a (b) uma mistura de 3 componentes: ( 1) um agente de resfriamento (como gelo seco ou água gelada); (2) um líquido "transportador" (como água líquida, etileno glicerol acetona, etc.), que transfere calor entre o banho e o recipiente; e (3) um aditivo para diminuir o ponto de fusão do sistema sólido/líquido.
Um exemplo conhecido disso é o uso de uma mistura de gelo e sal-gema para congelar sorvete. A adição de sal reduz a temperatura de congelamento da água, diminuindo a temperatura mínima que pode ser atingida somente com gelo.
Reduzir a solução de qualquer solvente por meio da redução da temperatura é química e física básicas. Isso se aplica a qualquer soluto em um solvente. Muitas substâncias dissolvidas em outra afetam seu ponto de congelamento, como no anticongelante ou no sal em água, e geralmente aumentam seus pontos de ebulição e congelamento, bem, a menos que haja uma reação endotérmica, como uma embalagem fria que usa nitrato de amônia ou ureia em água, ou exotérmica, como uma embalagem de refeição pronta para comer. Desejamos reduzir a temperatura para diminuir a solubilidade do nosso solvente e efetuar a cristalização, além de poder reciclar o solvente várias vezes. De particular importância é que os pontos de congelamento da nafta e da acetona estão abaixo da temperatura do gelo seco, -109,3 °F ou -78,5 °C.
Os banhos de gelo seco com acetona são uma técnica de laboratório comum, pois a acetona não congela à temperatura do gelo seco, 109,3 °F ou -78.5 °C e a acetona conduz a energia térmica para longe do solvente em um recipiente vedado (cuidado com a acetona que ataca prontamente muitos plásticos, portanto, recomenda-se o uso de vidro ou metal). Se você tiver um recipiente aberto, a água da umidade pode condensar e dissolver os cristais após o retorno à temperatura ambiente, o que pode exigir uma secagem prolongada. Isso é frequentemente usado para evitar a ebulição (em temperatura ambiente) de substâncias de baixo ponto de ebulição (como éter/amônia que foram destilados). O uso de gelo seco na água não é totalmente ineficaz, nem o gelo seco sozinho, mas nenhum dos dois conduz o calor quase tão rapidamente.
Todos os usuários de dióxido de carbono, sólido ou gelo seco devem revisar este tópico antes do uso. O gelo seco é a forma sólida do dióxido de carbono que está disponível em flocos, pellets ou blocos e não é combustível. Ele é usado com mais frequência para resfriamento rápido de materiais ou envio de amostras biológicas. Ele apresenta riscos exclusivos para aqueles que trabalham com ele ou ao seu redor - esses riscos são abordados a seguir.
PERIGOS
O dióxido de carbono sólido ou gelo seco NÃO é considerado uma substância perigosa pelo Padrão de Comunicação de Perigo da OSHA de 2012 (29 CFR 1910.1200). As precauções associadas ao manuseio desse material são as seguintes:
Perigo de contato: A -109 °F (-79 °C), o contato da pele com gelo seco pode levar a queimaduras graves; as células da pele congelam e são danificadas rapidamente.
Perigo de contato: A -109 °F (-79 °C), o contato da pele com gelo seco pode levar a queimaduras graves; as células da pele congelam e são danificadas rapidamente.
Risco de asfixia: O gelo seco sublimará (mudará de sólido para gasoso) em qualquer temperatura acima de -79 °C. Isso libera volumes potencialmente substanciais de CO2 (gás). Isso libera volumes potencialmente substanciais de CO2 (1 kg de sólido = ~550 litros de gás), que podem deslocar rapidamente o oxigênio do ar ao redor do gelo seco, causando tontura, dores de cabeça, dificuldade para respirar, perda de consciência e morte. Isso é especialmente preocupante em espaços não ventilados ou confinados.
Perigo de sobrepressurização: Devido à rápida emissão de grandes volumes de gás CO2, qualquer gelo seco armazenado em um recipiente fechado pode pressurizar o recipiente. Com tempo suficiente em temperatura ambiente normal, esse contêiner pode se romper violentamente se o gás não conseguir escapar.
Regras de manuseio
1. Conheça os perigos do manuseio do gelo seco. O manuseio do gelo seco é perigoso devido às suas temperaturas extremamente baixas, que podem causar congelamento e lesões nos tecidos. Os vapores de dióxido de carbono em uma área sem ventilação também são tóxicos. Se houver contato prolongado com o gelo seco, não esfregue a área afetada. Remova as roupas que não estiverem congeladas na pele e coloque a área afetada em um banho de água morna. Evite o calor seco direto.
2. Proteja-se vestindo uma camisa de mangas compridas, calças compridas e sapatos fechados. A proteção adequada é essencial ao manusear gelo seco. A melhor proteção é cobrir todas as superfícies de seu corpo que possam ser expostas. Luvas e óculos de proteção são extremamente importantes para proteger suas mãos e olhos de lesões.
3. Pegue o gelo seco com uma pinça. Nunca manuseie o gelo seco diretamente com as mãos desprotegidas. Se possível, use pinças de metal ao transferir pedaços de gelo seco para novos locais. Se você não tiver pinças disponíveis, use uma luva de forno ou uma toalha ao manusear o gelo seco. Pinças de metal com bordas serrilhadas funcionam melhor.
4. Use um cinzel para quebrar pedaços menores do bloco. Se você comprou um bloco de gelo seco e precisa de pedaços menores, tenha cuidado ao cortá-los. Quebre os pedaços de gelo colocando um cinzel no ponto desejado e batendo levemente com um martelo. Sempre use proteção para os olhos enquanto estiver cortando o gelo para evitar que as lascas entrem em contato com seus olhos.
5. Use o gelo seco em uma área bem ventilada. O gelo seco é dióxido de carbono congelado. À medida que se aquece, ele sublima (transforma-se diretamente de sólido em gás, pulando a fase líquida) em sua forma gasosa. A exposição a grandes quantidades de dióxido de carbono gasoso é perigosa para a saúde e pode causar perda de consciência ou sufocamento. Trabalhar em uma sala com boa ventilação ou com uma janela aberta pode evitar um acúmulo perigoso de gás e mantê-lo seguro. Os sintomas da inalação excessiva de dióxido de carbono incluem tontura, dor de cabeça e aumento da frequência cardíaca.
6. Armazene o gelo seco em um recipiente isolado que não seja hermético. O gelo seco sublima com relativa rapidez, mas sua vida útil pode ser estendida se ele for armazenado em um recipiente isolado, como um refrigerador de isopor. Certifique-se de que o recipiente não seja hermético para evitar o acúmulo de gás dióxido de carbono. O excessode gás em um recipiente hermético pode levar a uma explosão.
7. Derreta o gelo quando terminar de usá-lo, despejando água morna sobre ele. Quanto mais quente o gelo seco estiver, mais rápido ele sublimará. Para descartá-lo, você pode deixá-lo exposto ao ar em uma área quente ou despejar água morna sobre ele até que desapareça. Não deixe crianças sem supervisão perto do gelo seco. Não tente jogar o gelo seco no ralo da pia ou no vaso sanitário, pois isso pode danificar os canos. Não jogue o gelo seco no lixo. Não deixe o gelo seco evaporar em uma área pequena sem ventilação adequada. O acúmulo de dióxido de carbono pode levar à perda de consciência e até mesmo à asfixia.
8. Use luvas de proteção ao manusear o gelo seco. O gelo seco é congelante e nunca deve ser manuseado diretamente. Luvas de proteção, isoladas ou de couro devem ser usadas ao manusear o gelo. Uma luva de forno ou uma toalha também é suficiente para proteger sua pele. O contato direto e prolongado com o gelo seco pode congelar as células da pele e causar uma lesão semelhante a uma queimadura. Se possível, use pinças para transferir o gelo seco para locais diferentes.
9. Use gelo seco de grau alimentício certificado. O gelo seco pode ser obtido na forma de pellets ou blocos. Durante a produção, o gelo seco entra em contato com muitos contaminantes potenciais que podem ser perigosos para a sua saúde. Para muitas aplicações, esses contaminantes não são perigosos, pois os itens que estão sendo mantidos resfriados não serão consumidos. Quando o gelo seco se aquece, ele se transforma diretamente no gás dióxido de carbono. O dióxido de carbono é o que dá efervescência a um refrigerante e é perfeitamente seguro para consumo em pequenas quantidades.
10. Use recipientes com tampas soltas que não sejam herméticas. O dióxido de carbono congelado sublima em um gás, pulando a fase líquida. O gelo seco deve estar contido em um refrigerador, geladeira ou freezer que permita que esse gás escape. O armazenamento de gelo seco em um contêiner hermético pode levar a um acúmulo perigoso de gás e pode representar um risco de explosão.
O gelo seco deve ser armazenado em um baú de isopor, em um refrigerador isolado ou em um refrigerador especial projetado para o armazenamento de gelo seco. O refrigerador deve ser colocado em um local bem ventilado, como um laboratório aberto. NUNCA guarde os refrigeradores em armários, gabinetes, geladeiras ou câmaras frigoríficas.
O gelo seco sublimará cerca de 5 a 4,5 kg a cada 24 horas (os blocos duram mais) em um refrigerador de armazenamento típico. Planeje a compra de gelo seco o mais próximo possível do tempo necessário.
O gelo seco deve ser armazenado em um baú de isopor, em um refrigerador isolado ou em um refrigerador especial projetado para o armazenamento de gelo seco. O refrigerador deve ser colocado em um local bem ventilado, como um laboratório aberto. NUNCA guarde os refrigeradores em armários, gabinetes, geladeiras ou câmaras frigoríficas.
O gelo seco sublimará cerca de 5 a 4,5 kg a cada 24 horas (os blocos duram mais) em um refrigerador de armazenamento típico. Planeje a compra de gelo seco o mais próximo possível do tempo necessário.
Primeiros socorros
CONTATO COM A PELE
- Em caso de queimaduras pelo frio (frost-bite).
- NÃO aplique água quente ou calor radiante.
- Leve a pessoa exposta para uma área quente antes de descongelar a parte afetada; se os pés estiverem expostos, carregue a pessoa exposta, se possível.
- Banhe a área afetada imediatamente em água morna (não mais que 35 graus Celsius) por 10 a 15 minutos, mergulhando-a, se possível, e sem esfregar a área exposta. Remova qualquer roupa exposta, bem como qualquer joia.
- Procure atendimento médico.
CONTATO COM OS OLHOS
- Usando um colírio, lave os olhos mantendo as pálpebras abertas.
- Procure atendimento médico.
INALAÇÃO
- Saia da área contaminada.
- Deite a pessoa exposta. Mantenha-a aquecida e descansada.
- As próteses, como dentes falsos, que podem bloquear as vias aéreas, devem ser removidas, sempre que possível, antes de iniciar os procedimentos de primeiros socorros.
- Procure atendimento médico.
INGESTÃO
- Se estiver consciente, dê imediatamente um copo de água morna.
- Nunca dê nada por via oral a uma pessoa inconsciente. Procureatendimento médico.
Manual passo a passo
Etapa 1: Escolha um Dewar e meça os solventes
Para este exemplo, farei um banho a -20 °C, que requer uma proporção de 30:70 de MeOH para água. Esse Dewar comporta 150 mL, portanto, preciso de 100 mL de líquido. Dewars grandes geram mais desperdício, mas mantêm a temperatura muito melhor.
Para este exemplo, farei um banho a -20 °C, que requer uma proporção de 30:70 de MeOH para água. Esse Dewar comporta 150 mL, portanto, preciso de 100 mL de líquido. Dewars grandes geram mais desperdício, mas mantêm a temperatura muito melhor.
Etapa 2: Esmague o gelo seco
Você pode usar grandes pedaços de gelo seco, mas a variedade em pó esfria muito mais rápido. Enchoos baldes de gelo de plástico da foto e, em seguida, esmago o gelo seco com a parte inferior do martelo (não com a garra ou a face).
Você pode usar grandes pedaços de gelo seco, mas a variedade em pó esfria muito mais rápido. Enchoos baldes de gelo de plástico da foto e, em seguida, esmago o gelo seco com a parte inferior do martelo (não com a garra ou a face).
Etapa 3: Misture os solventes, encha o Dewar com 1/3
A transferência do solvente do cilindro graduado para um erlenmeyer garante uma boa mistura. Despeje metade do solvente no Dewar.
A transferência do solvente do cilindro graduado para um erlenmeyer garante uma boa mistura. Despeje metade do solvente no Dewar.
Etapa 4: Adicione gelo seco em pó até que o banho comece a congelar
Isso requer uma proporção de cerca de 5:1 de líquido para gelo seco. Muitas bolhas e névoa surgirão no início, portanto, adicione o gelo seco lentamente. Ogelo deve permanecer após 10 segundos de agitação com uma espátula, mas a solução não deve congelar.
Isso requer uma proporção de cerca de 5:1 de líquido para gelo seco. Muitas bolhas e névoa surgirão no início, portanto, adicione o gelo seco lentamente. Ogelo deve permanecer após 10 segundos de agitação com uma espátula, mas a solução não deve congelar.
Etapa 5: Adicione o solvente restante
Isso derreterá o gelo e evaporará qualquer gelo seco restante, deixando-o com um banho que está aproximadamente na temperatura desejada (controle a temperatura com termômetro de laboratório até -78,5 °C).
Isso derreterá o gelo e evaporará qualquer gelo seco restante, deixando-o com um banho que está aproximadamente na temperatura desejada (controle a temperatura com termômetro de laboratório até -78,5 °C).
Etapa 6: Defina e mantenha a temperatura desejada com 1-2 pedaços de gelo seco
Pedaços de gelo seco de cerca de 1,5 cm x 1 cm funcionam melhor. Depois de cerca de cinco minutos, você verá a formação de uma bolha difusa de gelo ao redor do gelo seco, indicando que você está na temperatura desejada. Quando o banho começar a esquentar, essa bolha flutuará para a superfície e será hora de adicionar outro pedaço de gelo seco.
Pedaços de gelo seco de cerca de 1,5 cm x 1 cm funcionam melhor. Depois de cerca de cinco minutos, você verá a formação de uma bolha difusa de gelo ao redor do gelo seco, indicando que você está na temperatura desejada. Quando o banho começar a esquentar, essa bolha flutuará para a superfície e será hora de adicionar outro pedaço de gelo seco.
Experimento.
A uma mistura de 50 mL de metanol/água (30/70) em um frasco Dewar de 150 mL são adicionados aproximadamente 10 g de gelo seco picado. Deixa-se a solução borbulhar por trinta segundos, período durante o qual um grande volume de gás CO2 foi liberado e aproximadamente 40% da solução congelou. Quando a evolução do gás diminuiu, uma segunda solução de 50 mL de metanol/água foi adicionada. Em seguida, foi adicionada uma pastilha de gelo seco (cilíndrica, 1 cm x 0,5 cm x 0,5 cm) e a temperatura foi verificada por meio de um termômetro de etanol/ corante. O Dewar foi então usado para resfriar um frasco de 4 mL para uma reação orgânica, e a solução permaneceu a -20 °C por aproximadamente 15 minutos sem intervenção.
Manual de vídeo
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