Υαλικά εργαστηρίου

Ο όρος υαλικά εργαστηρίου αναφέρεται σε ποικίλο εξοπλισμό, που παραδοσιακά γίνεται από γυαλί, χρησιμοποιείται για επιστημονικά πειράματα και άλλες εργασίες στην επιστήμη, ειδικά στα εργαστήρια χημείας και βιολογίας.

Εφαρμογές

Η χρήση του γυαλιού σε εργαστηριακές εφαρμογές δεν είναι τόσο συνηθισμένη όπως ήταν κάποτε, επειδή υπάρχουν πιο φθηνά, λιγότερο εύθραυστα πλαστικά υλικά· όμως, αρκετές εφαρμογές απαιτούν ακόμα υαλικά, επειδή το γυαλί είναι σχετικά αδρανές, διαφανές, θερμοάντοχο, και ευπροσάρμοστο. Ο τύπος του χρησιμοποιούμενου γυαλιού εξαρτάται από την εφαρμογή. Το βοριοπυριτικό γυαλί, που χρησιμοποιείται συνήθως σε φιάλες αντιδραστηρίων, μπορεί να αντέξει θερμική τάση. Η χαλαζιακή ύαλος, που είναι συνηθισμένη σε κυψελίδες, μπορεί να αντέξει υψηλές θερμοκρασίες και είναι διαφανής σε ορισμένα τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Σκούρο καφέ ή  κεχριμπαρένιο (ακτινικό) γυαλί, που είναι συνηθισμένο για σκοτεινή αποθήκευση φιαλών, μπορεί να παρεμποδίσει την υπεριώδη και την υπέρυθρη ακτινοβολία. Γυαλί με χοντρά τοιχώματα, που είναι συνηθισμένο σε γυάλινους αντιδραστήρες πίεσης, μπορεί να αντέξει εφαρμογές υπό πίεση.

Παραγωγή

Τα περισσότερα υαλικά εργαστηρίου παράγονται τώρα μαζικά, αλλά μεγάλα εργαστήρια μπορεί να απασχολούν έναν υαλοφυσητή (glass blower) για να κατασκευάζει εξειδικευμένα κομμάτια. Αυτή η κατασκευή σχηματίζει ένα ειδικό πεδίο φυσήματος γυαλιού που απαιτεί ακριβή έλεγχο σχήματος και διαστάσεων. Πέρα από την επισκευή ακριβών ή δύσκολων στην αναπλήρωση υαλικών, το επιστημονικό φύσημα γυαλιού περιλαμβάνει συνήθως την ένωση μαζί διαφόρων υάλινων κομματιών - όπως γυάλινοι σύνδεσμοι και γυάλινοι σωλήνες, στρόφιγγες (stopcocks), κομμάτια μετάβασης, και/ή άλλων υαλικών ή τμημάτων τους για τη δημιουργία υαλικών, όπως ποικίλων τύπων συνδέσμων και στροφίγγων που είναι διαθέσιμα ξεχωριστά και ενώνονται με ένα μήκος υάλινου σωλήνα, που ένας υαλοφυσητής μπορεί να χρησιμοποιήσει για να τα ενώσει με ένα άλλο υαλικό.

Χαρακτηριστικά και βοηθήματα

Όταν χρησιμοποιούνται τα υαλικά εργαστηρίου κρατιούνται συχνά στη θέση τους με σφιγκτήρες κατασκευασμένους για αυτόν τον σκοπό, οι οποίοι παρομοίως συνδέονται και κρατιούνται στη θέση τους με στηρίγματα ή θήκες. Αυτό το άρθρο καλύπτει όψεις των υαλικών εργαστηρίου που μπορεί να είναι συνηθισμένες σε πολλά είδη υαλικών και μπορεί να περιγράψει σύντομα κάποια υαλικά. Η περιγραφή υαλικών μπορεί να γίνει περίπλοκη επειδή οι κατασκευαστές δίνουν αντικρουόμενα ονόματα για τα υαλικά. Παραδείγματος χάρη, ότι η ChemGlass ονομάζει γυάλινη στρόφιγγα (glass stopcock), η Kontes ονομάζει γυάλινο πώμα (glass plug).

Πώματα (Stoppers)

Πώματα χρησιμοποιούνται για να μονώσουν συγκεκριμένους τύπους υαλικών. Αυτοί μπορεί να κατασκευάζονται από γυαλί καθώς και άλλα υλικά συμπεριλαμβανόμενων καουτσούκ ή φελλού.

Επικαλύψεις

Τα υαλικά μπορούν να καλύπτονται για να μειώσουν την εμφάνιση ρωγμών.

Γυάλινες βαλβίδες

Οι βαλβίδες χρησιμοποιούνται για ανακατεύθυνση των ροών μέσα από σωλήνες. Δύο τύποι βαλβίδων που χρησιμοποιούνται στα υαλικά εργαστηρίου είναι η βαλβίδα στρόφιγγας και η βαλβίδα πώματος με σπείρωμα (threaded plug valve). Αυτοί και άλλοι όροι που χρησιμοποιούνται παρακάτω ορίζονται λεπτομερώς επειδή υπάρχουν συγκρούσεις με διαφορετικές πηγές.

Βαλβίδες στρόφιγγας

Οι στρόφιγγες (Stopcocks) είναι ένα ομαλά τροποποιημένο πώμα ή ρώτορας με λαβή, που ταιριάζει στον αντίστοιχο θηλυκό σύνδεσμο εσμυρισμένης υάλου. Οι στρόφιγγες είναι συνήθως τμήματα των υαλικών εργαστηρίου όπως προχοΐδες, διαχωριστικά χωνιά, οι φιάλες Σλένκ (Schlenk flasks) και στήλες που χρησιμοποιούνται στη χρωματογραφία.

Βαλβίδες πώματος με σπείρωμα

Οι βαλβίδες πώματος με σπείρωμα χρησιμοποιούνται σημαντικά στη χημεία που επηρεάζεται από τον αέρα καθώς και όταν ένα δοχείο πρέπει να είναι τελείως κλειστό όπως στην περίπτωση των φιαλών Σλένκ (Schlenk flasks). Η κατασκευή μιας βαλβίδας πώματος με σπείρωμα περιλαμβάνει ένα πώμα κεφαλής με σπείρωμα που κατασκευάζεται έτσι ώστε να ταιριάζει με το σπείρωμα στο αντίστοιχο κομμάτι του θηλυκού γυαλιού. Το βίδωμα του πώματος μερικώς πιάνει έναν ή περισσότερους δακτυλίους στεγανοποίησης, που κατασκευάζονται από ελαστικό ή πλαστικό, κοντά στη βάση του πώματος και στεγανοποιεί τον θηλυκό σύνδεσμο από την εξωτερική ατμόσφαιρα. Βιδώνοντας τη βαλβίδα του πώματος πλήρως πιάνει την άκρη του πώματος με μια λοξή στένωση στο γυαλί, που παρέχει μια δεύτερη στεγανοποίηση. Αυτή η στεγανοποίηση ξεχωρίζει την περιοχή κάτω από τη λοξότμηση και τους δακτυλίους στεγανοποίησης που ήδη αναφέρθηκαν.
Με στερεά πώματα, ένας σωλήνας ή μια περιοχή υπάρχει πάνω από και κάτω από την λοξότμηση και το στρίψιμο του πώματος ελέγχει την πρόσβαση. Σε κάποιες περιπτώσεις είναι βολικό να αφαιρεθεί πλήρως ένα πώμα που δίνει πρόσβαση στην περιοχή κάτω από τη λοξότμηση. Τα πώματα γενικά κατασκευάζονται από αδρανή πλαστικά όπως PTFE και συνδέονται με ένα χιτώνιο με σπείρωμα κατά τέτοιο τρόπο που το χιτώνιο να μπορεί να στραφεί χωρίς να περιστρέψει το πώμα. Η επαφή με τη λοξότμηση γίνεται με έναν δακτύλιο στεγανοποίησης που προσαρμόζεται στο άκρο του πώματος ή με το ίδιο το πώμα. Υπάρχουν κάποιες περιπτώσεις όπου το πώμα γίνεται από γυαλί. Στην περίπτωση των γυάλινων πωμάτων, η επαφή του συνδέσμου είναι πάντοτε ένας ελαστικός δακτύλιος στεγανοποίησης, αλλά είναι ακόμα επιρρεπή σε θρυμματισμό.
Δεν είναι όλα τα πώματα στερεά. Κάποια πώματα είναι διάτρητα με έναν Τ-σύνδεσμο. Σε αυτά τα συστήματα το πώμα επεκτείνεται πέρα από το χιτώνιο με σπείρωμα και είναι σχεδιασμένο να σχηματίζει μια αεροστεγή προσαρμογή με τον γυάλινο σωλήνα. Ο άξονας του πώματος είναι τρυπημένος πέρα από το χιτώνιο με το σπείρωμα με έναν Τ-σύνδεσμο ακριβώς πριν την επαφή του λοξού πώματος. Όταν το πώμα είναι πλήρως στεγανοποιημένο, η περιοχή πέρα από τη λοξότμηση διαχωρίζεται από τον άξονα του πώματος καθώς και η οπή που οδηγεί έξω από τον άξονά του. Όταν η επαφή του πλάγιου πώματος ελευθερώνεται, οι δύο περιοχές εκτίθενται μεταξύ τους. Αυτές οι βαλβίδες χρησιμοποιούνται επίσης ως εναλλακτικές λύσεις χωρίς γράσο σε άμεσα τρυπημένες στρόφιγγες που είναι συνηθισμένες στις φιάλες Σλένκ. Η υψηλή συμμετρία και ο μεστός σχεδιασμός αυτών των βαλβίδων τις έχει κάνει δημοφιλείς για κλείσιμο σωλήνων NMR. Τέτοιοι σωλήνες NMR μπορούν να θερμανθούν χωρίς απώλεια διαλύτη χάρη στη αεροστεγή μόνωση της βαλβίδας. Οι σωλήνες NMR με διάτρητα πώματα Τ είναι πλατιά γνωστά ως σωλήνες J Young NMR, που ονομάζονται με το όνομα της εταιρείας των βαλβίδων. Εικόνες του σωλήνων J. Young NMR και των προσαρμογέων σωλήνων J. Young NMR υπάρχουν στη #Συλλογή.

Γυάλινες βαλβίδες (Glass valves)

Οι βαλβίδες που κατασκευάζονται εξ ολοκλήρου από γυαλί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιορίσουν τις ροές ρευστών.

Πεφρυγμένη ύαλος (Fritted Glass)

Πεφρυγμένη ύαλος είναι λεπτό πορώδες γυαλί μέσα από το οποίο μπορεί να περάσει αέριο ή υγρό. Εφαρμογές εργαστηριακών υαλικών περιλαμβάνουν τη χρήση πεφρυγμένης υάλου στη διήθηση, στο βούρτσισμα και τον σκεδασμό. Άλλες εργαστηριακές εφαρμογές της περιλαμβάνουν την πλήρωση σε χρωματογραφικές στήλες  και κλίνες ρητινών για ειδικές χημικές συνθέσεις.

Λειτουργίες

Το γυαλί έχει μια πλατιά ποικιλία λειτουργιών που περιλαμβάνουν ογκομετρικές μετρήσεις, συγκράτηση ή αποθήκευση χημικών ουσιών ή δειγμάτων, ανάμειξη ή προετοιμασία διαλυμάτων ή άλλων μειγμάτων, που περιλαμβάνουν διεργασίες όπως χημικές αντιδράσεις, θέρμανση, ψύξη, απόσταξη, διαχωρισμούς που περιλαμβάνουν χρωματογραφία, σύνθεση, ανάπτυξη βιολογικών οργανισμών, φασματοφωτομετρία και περιέχουν πλήρες ή μερικό κενό και πίεση, όπως αντιδραστήρα υπό πίεση.
Τα υαλικά εργαστηρίου μπορεί να αποτελούν μέρος μιας εξελιγμένης συσκευής, όπως συμβαίνει σε συγκεκριμένους τύπους συμπυκνωτών και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με άλλο εργαστηριακό εξοπλισμό όπως σε βάσεις στήριξης δακτυλίων, σφιγκτήρες προχοΐδων και λύχνους Μπούνσεν.

Θέρμανση αντιδραστηρίων ή δειγμάτων

Η θέρμανση ή η ψύξη των περισσότερων υαλικών πρέπει να γίνει προσεκτικά επειδή η θερμική διαστολή σε ένα τμήμα του γυαλιού αλλά όχι και στο γειτονικό τμήμα μπορεί να προκαλέσει υπερβολική τάση (μηχανική) στην επιφάνεια και να προκαλέσει θραύση. Η Θραύση είναι ένα πρόβλημα όταν φοιτητές νέοι στο εργαστήριο γίνονται ανυπόμονοι και θερμαίνουν υαλικά, ειδικά τα μεγαλύτερα κομμάτια, υπερβολικά γρήγορα. Η θέρμανση των υαλικών πρέπει να επιβραδύνεται χρησιμοποιώντας ένα μονωτικό υλικό, όπως μεταλλικό φύλλο ή ειδική συσκευή όπως λουτρά θέρμανσης, θερμομανδύες ή εργαστηριακές εστίες θέρμανσης για να αποφευχθεί η θραύση.
Θα πρέπει να λαμβάνεται προσοχή για αποφυγή επαφής με ζεστά ή κρύα υαλικά.

Αρνητική πίεση και κενά

Ένα απόλυτο κενό παράγει μια διαφορά πίεσης μιας ατμόσφαιρας, στην επιφάνεια του γυαλιού. Η περιεχόμενη ενέργεια μέσα σε μια ενδόρρηξη ορίζεται από τη διαφορά πίεσης και τον παραγόμενο όγκο. Οι όγκοι των φιαλών μπορούν να μετρηθούν κατά τάξη μεγέθους μεταξύ των πειραμάτων. Κατά την εργασία με μεγέθη ενός λίτρου ή μεγαλύτερα, οι χημικοί πρέπει να χρησιμοποιούν μια οθόνη ασφαλείας ή το πλαίσιο μιας καλύπτρας για να προστατεύονται από τα θραύσματα του γυαλιού, αν συμβεί μια ενδόρρηξη. Τα υαλικά μπορούν επίσης να τυλιχτούν με ταινία για να κρατούν τα θραύσματα, ή να τυλιχτούν με μεμβράνη πλέγματος που συνήθως εμφανίζεται σε κυλίνδρους αναπνευστικών συσκευών.
Το γυαλί υπό πίεση γίνεται πιο ευαίσθητο σε ρωγμές στην επιφάνειά του, όπως αυτές που σχηματίζονται στα σημεία συσσώρευσης τάσης, έτσι τα πιο παλιά γυαλιά είναι καλύτερα να αποφεύγονται, αν αυτό είναι δυνατό. Οι επιπτώσεις στο γυαλί και τις θερμικά εισαγόμενες τάσεις αποτελούν επίσης αιτίες ανησυχίας στο κενό. Οι σφαιρικές φιάλες κατανέμουν πιο αποτελεσματικά τις τάσεις στις επιφάνειές τους και είναι συνεπώς πιο ασφαλείς κατά την εργασία υπό κενό.
Κατά τη σύνδεση υαλικών, αποτελεί πειρασμό η χρήση συνδέσμων Κεκ (clip Keck) σε κάθε σύνδεση, αλλά αυτό μπορεί να είναι επικίνδυνο αν το σύστημα είναι κλειστό ή η έξοδος περιορίζονται με οποιονδήποτε τρόπο (π.χ. με φιάλες έκπλυσης ή ξηραντικά μέσα). Πολλές αντιδράσεις και μορφές λειτουργίας μπορούν να παράξουν ξαφνικά, ανεπάντεχες αυξήσεις στην πίεση μέσα στο γυαλί. Αν το σύστημα είναι σφραγισμένο ή περιορισμένο, αυτό μπορεί να σπάσει το γυαλί. Είναι πιο ασφαλές να χρησιμοποιούνται σύνδεσμοι που χρειάζεται να κρατούν μαζί τις συνδέσεις ώστε να μην απομακρυνθούν και να αφήνεται από πρόθεση μια ή περισσότερες συνδέσεις χωρίς συνδέσμους· κατά προτίμηση οι συνδέσεις με ελαφριά, μικρά αντικείμενα όπως πώματα, θερμόμετρα, που έχουν κατεύθυνση κάθετα προς τα πάνω και δεν συνδέονται με άλλα κομμάτια υαλικών. Με αυτόν τον τρόπο, οποιαδήποτε σημαντική αύξηση στην πίεση θα προκαλέσει το άνοιγμα αυτών των επιλεγμένων συνδέσεων και την εκτόνωση. Αυτό μπορεί να φαίνεται παράλογο, αλλά είναι πιο ασφαλές γιατί υπάρχει μια ελεγχόμενη διαφυγή, αντίθετα με την ανεξέλεγκτη απελευθέρωση του συνολικού όγκου σε μια έκρηξη.

Ερμητικό κλείσιμο

Το ερμητικό κλείσιμο υαλικού εργαστηρίου περιλαμβάνει τη χρήση μιας λεπτής στρώσης από πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE) ή γράσου για να δημιουργηθεί ένα αεροστεγές κλείσιμο. Το σφράγισμα μπορεί να εφαρμοστεί στις εσμυρισμένες γυάλινες επιφάνειες που θα συνδεθούν και ο εσωτερικός σύνδεσμος εισάγεται στον εξωτερικό σύνδεσμο έτσι ώστε οι εσμυρισμένες γυάλινες επιφάνειες να είναι γειτονικές για να συνδεθούν. Αυτό βοηθά το καλό κλείσιμο και αποτρέπει το μάγκωμα, επιτρέποντας την εύκολη αποσυναρμολόγηση των κομματιών.
Το σφράγισμα επιτρέπει στους χημικούς να δουν εύκολα πότε μια λέπτυνση έχει διαρροή, επειδή φαίνονται εύκολα οι φυσαλίδες μέσα από τη λέπτυνση. Ταινίες PTFE, γράσα ή λάδια με βάση φθοροαιθέρες, αλλά όχι αυτά με βάση τη σιλικόνη, εκπέμπουν ατμούς υδροφθορίου καθώς πλησιάζουν και ξεπερνούν τα όρια της θερμοκρασίας λειτουργίας τους· αυτό μπορεί να συμβεί κατά τη χρήση θερμαντικής εστίας, θερμομανδύα , λουτρού ελαίου ή φλόγας. Κατά την επαφή με υγρασία, συμπεριλαμβανομένων των ιστών, το υδροφθόριο μετατρέπεται αμέσως σε υδροφθορικό οξύ, που είναι πολύ διαβρωτικό και τοξικό και απαιτεί άμεση παροχή ιατρικής βοήθειας.