Introdução
Neste tópico, pretendo mostrar regras simples de manuseamento, passo a passo e um manual em vídeo do banho de gelo seco com preparação de acetona. Espero que este tópico o ajude a ter mais confiança e segurança nos procedimentos de síntese a baixa temperatura. O manuseamento laboratorial do azoto líquido (N2) é a segunda parte do tópico sobre agentes de banhos de arrefecimento.
Geral
Um banho de arrefecimento, na prática da química laboratorial (frequentemente, mas nem sempre, da química orgânica), é uma mistura líquida que é utilizada para manter baixas temperaturas, tipicamente entre 13 °C e -196 °C. Estas baixas temperaturas são utilizadas para recolher líquidos após a destilação, para remover solventes utilizando um evaporador rotativo ou para realizar uma reação química abaixo da temperatura ambiente (ver: controlo cinético).
Os banhos de arrefecimento são geralmente de dois tipos: (a) um fluido frio (particularmente azoto líquido, água ou mesmo ar) - mas mais frequentemente o termo refere-se a (b) uma mistura de 3 componentes: ( 1) um agente de arrefecimento (como gelo seco ou gelo de água); (2) um "transportador" líquido (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 familiar desta situação é a utilização de uma mistura de gelo/sal-gema para congelar gelados. A adição de sal baixa a temperatura de congelação da água, baixando a temperatura mínima que pode ser atingida apenas com gelo.
Reduzir a solução de qualquer solvente através da redução da temperatura é uma questão básica de química e física. Aplica-se a qualquer soluto num solvente, muitas substâncias dissolvidas noutras afectam o seu ponto de congelação, como no anticongelante ou no sal em água, e aumentam frequentemente os seus pontos de ebulição e de congelação, bem, a menos que haja uma reação endotérmica, como uma embalagem de frio que utiliza nitrato de amoníaco ou ureia em água, ou exotérmica, como uma embalagem de refeição pronta a comer. Desejamos reduzir a temperatura para diminuir a solubilidade do nosso solvente e efetuar a cristalização, e para podermos reciclar o nosso solvente vezes sem conta. De particular importância é o facto de os pontos de congelação da nafta e da acetona serem inferiores à temperatura do gelo seco, -109,3 °F ou -78,5 °C.
Os banhos de gelo seco com acetona são uma técnica laboratorial comum, uma vez que 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 seu solvente num recipiente selado (cuidado com a acetona que ataca facilmente muitos plásticos, pelo que se aconselha o uso de vidro ou metal). Se tiver um recipiente aberto, a água da humidade pode condensar e dissolver os cristais após o regresso à temperatura ambiente, o que pode exigir uma secagem prolongada. Isto é frequentemente utilizado para evitar a ebulição (à temperatura ambiente) de substâncias com baixo ponto de ebulição (como o éter/amoníaco que foram destilados). A utilização de gelo seco na água não é totalmente ineficaz, nem o gelo seco sozinho, mas nenhum deles conduz o calor tão rapidamente.
Todos os utilizadores de Dióxido de Carbono, Sólido ou Gelo Seco devem rever este tópico antes de o utilizarem. O gelo seco é a forma sólida do dióxido de carbono que se encontra disponível em flocos, pastilhas ou blocos e não é combustível. É mais frequentemente utilizado para o arrefecimento rápido de materiais ou para o transporte de amostras biológicas. Apresenta perigos únicos para quem possa trabalhar com ele ou à sua volta - esses perigos são abordados de seguida.
Os banhos de arrefecimento são geralmente de dois tipos: (a) um fluido frio (particularmente azoto líquido, água ou mesmo ar) - mas mais frequentemente o termo refere-se a (b) uma mistura de 3 componentes: ( 1) um agente de arrefecimento (como gelo seco ou gelo de água); (2) um "transportador" líquido (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 familiar desta situação é a utilização de uma mistura de gelo/sal-gema para congelar gelados. A adição de sal baixa a temperatura de congelação da água, baixando a temperatura mínima que pode ser atingida apenas com gelo.
Reduzir a solução de qualquer solvente através da redução da temperatura é uma questão básica de química e física. Aplica-se a qualquer soluto num solvente, muitas substâncias dissolvidas noutras afectam o seu ponto de congelação, como no anticongelante ou no sal em água, e aumentam frequentemente os seus pontos de ebulição e de congelação, bem, a menos que haja uma reação endotérmica, como uma embalagem de frio que utiliza nitrato de amoníaco ou ureia em água, ou exotérmica, como uma embalagem de refeição pronta a comer. Desejamos reduzir a temperatura para diminuir a solubilidade do nosso solvente e efetuar a cristalização, e para podermos reciclar o nosso solvente vezes sem conta. De particular importância é o facto de os pontos de congelação da nafta e da acetona serem inferiores à temperatura do gelo seco, -109,3 °F ou -78,5 °C.
Os banhos de gelo seco com acetona são uma técnica laboratorial comum, uma vez que 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 seu solvente num recipiente selado (cuidado com a acetona que ataca facilmente muitos plásticos, pelo que se aconselha o uso de vidro ou metal). Se tiver um recipiente aberto, a água da humidade pode condensar e dissolver os cristais após o regresso à temperatura ambiente, o que pode exigir uma secagem prolongada. Isto é frequentemente utilizado para evitar a ebulição (à temperatura ambiente) de substâncias com baixo ponto de ebulição (como o éter/amoníaco que foram destilados). A utilização de gelo seco na água não é totalmente ineficaz, nem o gelo seco sozinho, mas nenhum deles conduz o calor tão rapidamente.
Todos os utilizadores de Dióxido de Carbono, Sólido ou Gelo Seco devem rever este tópico antes de o utilizarem. O gelo seco é a forma sólida do dióxido de carbono que se encontra disponível em flocos, pastilhas ou blocos e não é combustível. É mais frequentemente utilizado para o arrefecimento rápido de materiais ou para o transporte de amostras biológicas. Apresenta perigos únicos para quem possa trabalhar com ele ou à sua volta - esses perigos são abordados de seguida.
PERIGOS
O Dióxido de Carbono, Sólido ou Gelo Seco NÃO é considerado uma Substância Perigosa pela Norma de Comunicação de Perigos da OSHA de 2012 (29 CFR 1910.1200). As precauções associadas ao manuseamento deste material são as seguintes:
Perigo de contacto: A -109 °F (-79 °C), o contacto da pele com gelo seco pode provocar queimaduras graves; as células da pele congelam e ficam rapidamente danificadas.
Perigo de contacto: A -109 °F (-79 °C), o contacto da pele com gelo seco pode provocar queimaduras graves; as células da pele congelam e ficam rapidamente danificadas.
Perigo de asfixia: O gelo seco sublima (passa de sólido a gasoso) a qualquer temperatura superior a -79 °C. Isto liberta volumes potencialmente substanciais de CO2 (1 kg de sólido = ~550 litros de gás), que podem deslocar rapidamente o oxigénio do ar à volta do gelo seco, causando tonturas, dores de cabeça, dificuldade em respirar, perda de consciência e morte. Isto 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 num recipiente fechado pode pressurizar o recipiente. Com tempo suficiente à temperatura ambiente normal, esse contentor pode romper-se violentamente se o gás não conseguir sair.
Regras de manuseamento
1. Conhecer os perigos do manuseamento do gelo seco. O manuseamento de gelo seco é perigoso devido às suas temperaturas extremamente baixas, que podem provocar queimaduras pelo frio e lesões nos tecidos. Os vapores de dióxido de carbono numa área não ventilada também são tóxicos. Em caso de contacto prolongado com o gelo seco, não esfregar a zona afetada. Retirar a roupa que não esteja congelada à pele e colocar a zona afetada num banho de água quente. Evitar o calor seco direto.
2. Proteger-se vestindo uma camisa de manga comprida, calças compridas e sapatos fechados. É essencial uma proteção adequada ao manusear gelo seco. A melhor proteção consiste em cobrir todas as superfícies do corpo que possam ficar expostas. As luvas e os óculos de proteção são extremamente importantes para proteger as mãos e os olhos de ferimentos.
3. Apanhar o gelo seco com uma pinça. Nunca manuseie o gelo seco diretamente com as mãos desprotegidas. Se possível, utilize pinças metálicas quando transferir pedaços de gelo seco para novos locais. Se não tiver pinças disponíveis, use uma luva de forno ou uma toalha enquanto manuseia o gelo seco. As pinças de metal com arestas serrilhadas são as melhores.
4. Utilize um cinzel para partir os pedaços mais pequenos do bloco. Se comprou um bloco de gelo seco e precisa de pedaços mais pequenos, tenha cuidado ao cortá-los. Parta pedaços de gelo colocando um cinzel no ponto desejado e batendo-lhe ligeiramente com um martelo. Utilize sempre proteção para os olhos enquanto estiver a cinzelar para evitar que as lascas voem para os seus olhos.
5. Utilize o gelo seco numa área bem ventilada. O gelo seco é dióxido de carbono congelado. À medida que aquece, sublima (passa diretamente de sólido a gás, saltando a fase líquida) para a sua forma gasosa. A exposição a grandes quantidades de dióxido de carbono gasoso é perigosa para a saúde e pode provocar a perda de consciência ou asfixia. Trabalhar numa sala com boa ventilação ou com uma janela aberta pode evitar uma acumulação perigosa de gás e mantê-lo seguro. Os sintomas de inalação excessiva de dióxido de carbono incluem tonturas, dores de cabeça e aumento do ritmo cardíaco.
6. Armazene o gelo seco num recipiente isolado que não seja hermético. O gelo seco sublima com relativa rapidez, mas o seu prazo de validade pode ser prolongado se for armazenado num recipiente isolado, como uma geleira de esferovite. Certifique-se de que o recipiente não é hermético para evitar a acumulação de gás de dióxido de carbono. Demasiadogás num recipiente hermético pode levar a uma explosão.
7. Derreta o gelo quando acabar de o utilizar, deitando água quente sobre ele. Quanto mais quente estiver o gelo seco, mais rapidamente se sublimará. Para o eliminar, pode deixá-lo ao ar livre numa área quente ou deitar água quente sobre ele até desaparecer. Não deixe as crianças ao pé do gelo seco sem vigilância. Não tente deitar o gelo seco pelo ralo do lava-loiça ou pela sanita, pois pode danificar os canos. Não deite o gelo seco no lixo. Não deixe o gelo seco evaporar numa área pequena sem ventilação adequada. A acumulação de dióxido de carbono pode levar à perda de consciência e até à asfixia.
8. Utilize luvas de proteção quando manusear gelo seco. O gelo seco é congelante e nunca deve ser manuseado diretamente. Devem ser usadas luvas de proteção, isoladas ou de couro ao manusear o gelo. Uma luva de cozinha ou uma toalha também são suficientes para proteger a pele. O contacto direto e prolongado com o gelo seco pode congelar as células da pele e provocar uma lesão semelhante a uma queimadura. Se possível, use pinças para transferir o gelo seco para locais diferentes.
9. Utilize gelo seco de qualidade alimentar certificado. O gelo seco pode ser obtido sob a forma de pastilhas ou blocos. Durante a produção, o gelo seco está em contacto com muitos contaminantes potenciais que podem ser perigosos para a sua saúde. Para muitas aplicações, estes contaminantes não são perigosos, uma vez que os artigos que estão a ser mantidos frios não serão consumidos. À medida que o gelo seco aquece, transforma-se diretamente no gás dióxido de carbono. O dióxido de carbono é o que dá a efervescência a um refrigerante, e é perfeitamente seguro consumi-lo nestas pequenas quantidades.
10. Utilize recipientes com tampas soltas que não sejam herméticas. O dióxido de carbono congelado sublima-se num gás, saltando a fase líquida. O gelo seco deve ser guardado numa geleira, frigorífico ou congelador que permita a saída deste gás. Armazenar gelo seco num recipiente hermético pode levar a uma acumulação perigosa de gás e pode constituir um risco de explosão.
O gelo seco deve ser armazenado numa caixa de esferovite, numa geleira com isolamento térmico ou numa geleira especial concebida para armazenar gelo seco. A geleira deve ser colocada num local bem ventilado, como um laboratório aberto. NUNCA guarde as arcas frigoríficas em armários, gabinetes, frigoríficos ou câmaras frigoríficas.
O gelo seco sublimará cerca de 5 a 4,5 kg em cada 24 horas (os blocos duram mais tempo) numa arca frigorífica típica. Planeie a compra de gelo seco o mais próximo possível do tempo necessário.
O gelo seco deve ser armazenado numa caixa de esferovite, numa geleira com isolamento térmico ou numa geleira especial concebida para armazenar gelo seco. A geleira deve ser colocada num local bem ventilado, como um laboratório aberto. NUNCA guarde as arcas frigoríficas em armários, gabinetes, frigoríficos ou câmaras frigoríficas.
O gelo seco sublimará cerca de 5 a 4,5 kg em cada 24 horas (os blocos duram mais tempo) numa arca frigorífica típica. Planeie a compra de gelo seco o mais próximo possível do tempo necessário.
Primeiros socorros
CONTACTO COM A PELE
- Em caso de queimaduras provocadas pelo frio (queimaduras de frio).
- NÃO aplicar água quente ou calor radiante.
- Deslocar a pessoa exposta para uma zona quente antes de descongelar a parte afetada; se os pés estiverem expostos, transportar a pessoa exposta, se possível.
- Banhar imediatamente a zona afetada em água morna (não mais de 35 graus Celsius) durante 10 a 15 minutos, mergulhando-a, se possível, e sem esfregar a zona exposta. Retirar toda a roupa exposta, bem como as jóias.
- Procurar assistência médica.
CONTACTO COM OS OLHOS
- Lavaros olhos com um lava-olhos, mantendo as pálpebras abertas.
- Procurar assistênciamédica.
INALAÇÃO
- Afastar-se da área contaminada.
- Deitar a pessoa exposta. Manter-se quente e em repouso.
- As próteses, tais como dentes falsos, que podem bloquear as vias respiratórias, devem ser removidas, sempre que possível, antes de iniciar os procedimentos de primeiros socorros.
- Procurar assistência médica.
INGESTÃO
- Se estiver consciente, dar imediatamente um copo de água tépida.
- Nunca dar nada por via oral a uma pessoa inconsciente. Procurar assistênciamédica.
Manual passo-a-passo
Passo 1: Escolha um Dewar e meça os solventes
Para este exemplo, vou fazer um banho a -20 °C, que requer uma proporção de 30:70 de MeOH para água. Este Dewar tem capacidade para 150 mL, pelo que necessito de 100 mL de líquido. Os Dewars grandes são mais gastadores, mas mantêm a temperatura muito melhor.
Para este exemplo, vou fazer um banho a -20 °C, que requer uma proporção de 30:70 de MeOH para água. Este Dewar tem capacidade para 150 mL, pelo que necessito de 100 mL de líquido. Os Dewars grandes são mais gastadores, mas mantêm a temperatura muito melhor.
Passo 2: Esmagar gelo seco
Pode utilizar grandes pedaços de gelo seco, mas a variedade em pó arrefece muito mais rapidamente. Enchoos baldes de gelo de plástico da imagem e depois esmago o gelo seco com a parte inferior do martelo (não com a garra ou a face).
Pode utilizar grandes pedaços de gelo seco, mas a variedade em pó arrefece muito mais rapidamente. Enchoos baldes de gelo de plástico da imagem e depois esmago o gelo seco com a parte inferior do martelo (não com a garra ou a face).
Passo 3: Misturar os solventes, encher o Dewar 1/3
Transferir o solvente do cilindro graduado para um erlenmeyer garante uma boa mistura. Deite metade do solvente no Dewar.
Transferir o solvente do cilindro graduado para um erlenmeyer garante uma boa mistura. Deite metade do solvente no Dewar.
Passo 4: Adicione gelo seco em pó até o banho começar a congelar
Isto requer uma proporção de cerca de 5:1 de líquido para gelo seco. No início, surgirão inúmeras bolhas e nevoeiro, por isso adicione o gelo seco lentamente. Ogelo deve permanecer após 10 segundos de agitação com uma espátula, mas a solução não deve congelar.
Isto requer uma proporção de cerca de 5:1 de líquido para gelo seco. No início, surgirão inúmeras bolhas e nevoeiro, por isso adicione o gelo seco lentamente. Ogelo deve permanecer após 10 segundos de agitação com uma espátula, mas a solução não deve congelar.
Etapa 5: Adicionar o solvente restante
Isto derreterá o gelo e evaporará o gelo seco restante, deixando-o com um banho que é aproximadamente a temperatura desejada (controlar a temperatura com um termómetro de laboratório até -78,5 °C).
Isto derreterá o gelo e evaporará o gelo seco restante, deixando-o com um banho que é aproximadamente a temperatura desejada (controlar a temperatura com um termómetro de laboratório até -78,5 °C).
Passo 6: Definir e manter a temperatura desejada com 1-2 pedaços de gelo seco
Os pedaços de gelo seco com cerca de 1,5 cm x 1 cm funcionam melhor. Após cerca de cinco minutos, deve ver formar-se uma mancha de gelo à volta do gelo seco, indicando que está à temperatura desejada. Quando o banho começar a aquecer, esta bolha irá flutuar para a superfície e é altura de adicionar outro pedaço de gelo seco.
Os pedaços de gelo seco com cerca de 1,5 cm x 1 cm funcionam melhor. Após cerca de cinco minutos, deve ver formar-se uma mancha de gelo à volta do gelo seco, indicando que está à temperatura desejada. Quando o banho começar a aquecer, esta bolha irá flutuar para a superfície e é altura de adicionar outro pedaço de gelo seco.
Experimento.
A uma mistura de 50 mL de metanol/água (30/70) num balão de Dewar de 150 mL são adicionados cerca de 10 g de gelo seco picado. Deixa-se a solução borbulhar durante trinta segundos, período durante o qual se libertou um grande volume de gás CO2 e cerca de 40% da solução congelou. Quando a evolução do gás abrandou, foi adicionada uma segunda solução de 50 mL de metanol/água. Foi então adicionada uma pastilha de gelo seco (cilíndrica, 1 cm x 0,5 cm x 0,5 cm) e a temperatura foi verificada através de um termómetro de etanol/ corante. O Dewar foi então utilizado para arrefecer um frasco de 4 mL para uma reação orgânica, tendo a solução permanecido a -20 °C durante aproximadamente 15 minutos sem intervenção.
Manual de vídeo
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