Material de laboratorio

El trabajo en el laboratorio requiere el empleo de diferentes utensilios que permiten realizar de forma eficiente las manipulaciones y operaciones básicas más frecuentes. Existen en el mercado una gran variedad de diseños y materiales adaptados a cada tipo de tarea, pudiendo clasificarse dicho material de muy diversas maneras. A continuación, se describe una serie de utensilios (material de vidrio, aparatos diversos y herramientas) que normalmente se usan en un laboratorio de Química Orgánica.

Una gran parte de dichos utensilios corresponden a la denominada cristalería[1] de laboratorio. Esta denominación viene del hecho de que las partes básicas que componen este tipo de utensilios están fabricadas con vidrio y es en ellos donde se desarrollan los procesos, mientras que las otras partes que no son de vidrio, en la mayoría de los casos son auxiliares. Sin embargo, en los últimos años han aparecido nuevos materiales poliméricos que están reemplazando al vidrio para ciertas tareas, por lo que también resulta oportuno realizar una descripción de este tipo de material.

Material de vidrio de uso general

El material de laboratorio es muy variado, tanto en su diseño como en su composición debido a que se adapta a las distintas necesidades, como pueden ser almacenamiento de productos, realizar medias de pesos y volúmenes, llevar a cabo una reacción, purificación de sustancias, etc.

Una parte fundamental del material de laboratorio es de vidrio ya que es resistente a la mayor parte de los reactivos, es transparente, por lo que permite la observación de los procesos y por otro lado, es un material fácil de trabajar y adaptar a cualquier forma.

Existen en el mercado muchísimos modelos, tipos y variantes de utensilios, por lo que resulta muy difícil describirlos y clasificarlos de forma exhaustiva. Muchos de estos utensilios reciben el nombre de los químicos que los diseñaron.

Ensamblaje del material de laboratorio

Para realizar muchas de las operaciones básicas de laboratorio se necesita realizar una serie de montajes acoplando entre sí diferentes componentes. Dicho acoplamiento se realiza mediante ajustes esmerilados, roscados o combinación de ambos que permite una conexión perfecta entre las diferentes piezas, evitando el escape de vapores o líquidos.

Uniones de vidrio esmerilado

El esmerilado u opacado del vidrio es una técnica que le confiere una terminación mate mediante un tratamiento superficial con ácidos o proyección de un chorro de arena, sobre una de las caras del vidrio.

Las uniones de vidrio esmerilado de tipo cónica-cónica, son las conexiones más extendidas para ensamblar fácil y rápidamente el material de vidrio de forma que las diferentes piezas quedan selladas sin que se derramen líquidos ni se escapen vapores cuando se calienta.

Por ejemplo, se pueden ensamblar un matraz de fondo redondo con un refrigerante recto. Además, se utilizan también para tapones de vidrio.

Uno de los elementos de vidrio a conectar tendrá una superficie interior (o hembra) de vidrio esmerilado y el otro tendrá la superficie esmerilada hacia el exterior (o macho), ambas con la misma forma cónica para facilitar el ajuste. La unión hembra presenta un reborde que como se verá más adelante facilita la sujeción.

Uniones de vidrio esmerilado con forma cónica afilada. La pieza interior (macho) se muestra a la izquierda y la pieza externa (hembra) aparece a la derecha. Las superficies de vidrio esmerilado se muestran con sombreado. Al unir ambas piezas siguiendo la dirección de las flechas, quedan firmemente unidas. Por lo general, se aplica algo de grasa a ambas superficies de vidrio.

 

Standard Taper

La uniones esmeriladas cónicas normalmente tienen una forma cónica[2] denominada 1:10 y se han marcado con un símbolo que consiste de una T mayúscula, superpuesto a una S mayúscula, que significa “Standard Taper”. Este símbolo va seguido de un número, una barra, y otro número. El primer número representa el diámetro exterior en milímetros en la base (parte más ancha) de la unión interna. El segundo número representa la longitud de vidrio esmerilado de la unión en milímetros.

Las uniones más comunes en EEUU son 14/20 y 24/40. Sin embargo en Europa se sigue el estándar europeo ISO con tamaños de unión 10/19, 14/23, 19/26, 24/29 y 29/32. Las normas americana y europea (ISO) solo se diferencian en la longitud pero no en la pendiente (conicidad), y se pueden utilizar en combinación.

Los tapones de las botellas de productos químicos, matraces aforados, y embudos de decantación a menudo no utilizan estos estándares. En España lo más usual son las uniones 29/32 y 14/23. Existen adaptadores que permiten el ensamblaje entre componentes con uniones diferentes tanto de expansión como de reducción.

Ganchos

Algunas piezas de vidrio esmeriladas presentan unos ganchitos o protuberancias (denominadas por su forma, cuernos del diablo o cascos de vikingo) que salen de los lados de las uniones. Aunque hoy día están en desuso, estas protuberancias sirven para acoplarles unos pequeños muelles metálicos y mantener fija la articulación. Al asegurar las uniones con dichos muelles se previene las sobrepresiones que se puedan producir, en estos casos la junta se abre y libera dicha presión. Sin embargo, hay que tener mucha precaución al fijar uniones esmeriladas porque a veces es más seguro que se produzca una sobrepresión, con el consiguiente derrame, debido a que la unión está firmemente sujeta estalle el material de vidrio. Por ejemplo, el HCl tiene una presión de vapor a temperatura ambiente, lo suficientemente alta para hacer estallar el vidrio estándar.

Lubricación

Se suele usar grasa (normalmente de silicona) para lubricar las llaves de paso y uniones de vidrio esmerilado, y que no se queden bloqueadas.

Aunque mediante el uso de grasa se consigue uniones sin fugas, y que posteriormente podamos separar las dos partes con mayor facilidad, sin embargo, presentan la desventaja de que puede llegar a contaminar los productos.[3]

Uniones esmeriladas con rosca

Se han incorporado al mercado otro tipo de uniones esmeriladas cónicas intercambiables con rosca que mejoran las seguridad de los montajes, ya que aseguran la estanqueidad del mismo, no necesita ningún otro elemento para asegurar el cierre (“clip”) y dan rigidez al conjunto.

Uniones esmeriladas de rótula

Las piezas finalizan en superficies semiesféricas esmeriladas que encajan entre sí quedando en contacto las semiesferas de las dos piezas por la parte interior. Ambas articulaciones de bola y cavidad están marcadas con un código formado por dos números separados por una barra.

El primer número representa el diámetro exterior en mm de la bola en su base o el diámetro interno en milímetros en la parte más externa de la cavidad, en ambos casos esos son los diámetros máximos de las articulaciones.

El segundo número representa el diámetro interior del agujero en el centro de la bola o la cavidad, que conduce al diámetro interior del tubo que va unido a la articulación. Para mantener unidas ambas piezas se usa una pinza y permite cierto movimiento entre las piezas ensambladas por este sistema.

Otras uniones esmeriladas

También se usa la técnica del esmerilado para la fabricación de desecadores de vidrio, los “pesafiltros” o duquesas. Los desecadores de vidrio poseen el borde de la boca esmerilada y una tapa que también tiene el borde esmerilado y cuyo encaje facilita un cierre perfecto y hacer vacío en el sistema. Los “pesafiltros” son unos recipientes cilíndricos con tapa construidos con vidrio, que tienen el cierre esmerilado que se suelen emplear para pesar o almacenar sólidos.

¡PELIGRO! “Cuando manipulamos el material de vidrio no se debe ejercer presión innecesaria a la hora de ensamblar o desmontar dicho material. A veces, nos encontramos con que al desmontar el material con juntas esmeriladas, como matraces de rotavapor, u otro material de vidrio, como termómetros incrustados a tapones de goma, estos quedan atascados debido al calentamiento. En estos casos, es conveniente ejercer un movimiento suave rotatorio para desatascar el material.

 

Matraces esmerilados

Los matraces son recipientes diseñados para realizar mezclas o reacciones, están fabricados con vidrio boro-silicato y por tanto resistentes no solo al calor sino a los cambios bruscos de temperatura.

Pueden presentar distintas formas y tener el fondo plano o redondo. De todos los tipos de matraces esmerilados podemos destacar los siguientes:

  • Matraz Erlenmeyer de boca esmerilada: Tienen forma forma cónica, más ancho en la base que en la boca.
  • Matraces esféricos: Pueden tener una forma totalmente redondeada o con fondo plano.
  • Matraces de pera.
  • Matraces aforados: Se usan para preparar disoluciones.

La capacidad de todos ellos puede variar desde unos pocos mililitros hasta 1 o 2 litros. Aunque los matraces esféricos más comunes presentan una sola boca, los hay que pueden tener dos o tres o bocas para montajes más complejos.

Material no esmerilado

En este apartado, se describe parte del material de uso frecuente en los laboratorios, que no presenta uniones esmeriladas.

Caja Petri (o placa Petri)

Es un recipiente formado por dos piezas circulares que encajan entre sí y que cierran aunque no herméticamente. Se usa básicamente en microbiología para cultivos celulares, pero en Química Orgánica debido a su bajo precio se pueden emplear para guardar sólidos (también se puede fabricar en plástico).

Cápsula de porcelana (crisol)

Presentan forma semiesférica con un pico en la boca, para facilitar el vertido, las cuales resultan muy útiles para calentar, secar o carbonizar sustancias a altas temperaturas.

Cristalizador

Son recipientes cilíndricos de base ancha y poca altura que suelen usarse para preparar baños de agua, aceite o arena o como contenedores para distintos materiales. El nombre proviene de que originariamente se han usado para obtener un sólido por cristalización a partir de una disolución.

Embudo cónico

Está fabricado en vidrio o plástico y se usa para trasvasar sólidos o líquidos. Los embudos de sólidos tienen el tubo más ancho para facilitar el paso del sólido.

Erlenmeyer

El matraz Erlenmeyer es de los recipientes más comunes en el laboratorio y existen variantes también con boca esmerilada.

Vaso de precipitados

Son recipientes cilíndricos de fondo plano y que presentan un pico o labio, en la boca para facilitar el trasvase de líquidos. Son muy comunes dentro de los recipientes sin esmerilar, presentan capacidades que van desde unos pocos mililitros hasta varios litros.

Frasco lavador

Es un recipiente de plástico o vidrio, con un tapón horadado atravesado por un tubo fino y formando un ángulo, que se emplea para contener disolventes.

Mortero y pistilo

Para mezclar o triturar sólidos se suele utilizar un mortero, que puede ser de vidrio, cerámica o ágata. La forma de moler el sólido es realizar suaves movimientos circulares con el pistilo apoyado sobre el mortero, sin dar golpes.

Placa de toque

Fabricadas por lo general en porcelana, por lo general blanca, que tienen una serie de cavidades o pocillos usados para realizar ensayos y pruebas analíticas a pequeña escala.

Pipeta Pasteur

Es un tubo de vidrio transparente abierto por ambos extremos y con un estrechamiento muy pronunciado en uno de ellos. Al extremo superior se le acopla una tetina de goma o látex mientras que el extremo inferior presenta un estrechamiento del tubo en forma de capilar. Se usa para transferir pequeñas cantidades de líquidos. También las hay de plástico de una sola pieza, a la que no es necesario acoplar la tetina.

Tapones

Existen una variedad muy amplia de tapones[4] de uso común en el laboratorio, fabricados en vidrio, goma, Teflón u otros polímeros como PE, que hoy en día han sustituido a los de corcho. Muy extendidos está el uso de los tapones septa (septum en singular) que cierran fácil y herméticamente recipientes de vidrio, esmerilados y no esmerilados, como matraces Erlenmeyer, matraces de fondo redondo, botellas o frascos.

Se ajusta el tapón a la boca del recipiente y se cierra plegando sobre el exterior de la boca una especie de faldón. Presentan como principal ventaja el que pueden ser perforados (pinchados) con una aguja o cánula, para introducir reactivos con una jeringa o gases y poder así trabajar en atmósfera inerte.

Para los recipientes con boca esmerilada, si se requiere un ajuste perfecto que impida la salida de líquidos o vapores, se usan tapones de vidrio esmerilado o de Teflón.

Tubo de ensayo

Son cilindros de vidrio abiertos por un extremo y cerrados por el otro lado y con fondo semiesférico. Pueden ser resistentes al calor o no, según el tipo de vidrio con el que se han fabricado, presentando multitud de aplicaciones en un laboratorio. Para almacenar o manipular los tubos de ensayo se usan soportes para varios tubos de ensayo, denominados gradillas que pueden ser de madera, metal o plástico.

Vidrio de reloj

Son recipientes de vidrio de forma circular y ligeramente convexos, que se usan para pesar o secar sólidos.

Llaves

Muchos utensilios de laboratorio llevan incorporadas llaves para poder permitir o no, según proceda, el paso de líquidos o gases. Las hay con un cuerpo de vidrio con hembra esmerilada y macho intercambiable que puede ser también de vidrio esmerilado o de Teflón. En el caso de machos esmerilados se requerirá una buena lubricación con grasa de silicona para evitar que la llave se bloquee.

También se usan llaves para conectar tubos, por ejemplo de goma, Teflón o silicona, por los que circulan fluidos; para bloquear el paso de los mismos, o para controlar la entrada o salida de aire en sistemas con vacío. Estas llaves de paso que se conectan a tubos flexibles tienen un segmento de vidrio a un lado y otro de la llave con un ensanchamiento, que recibe el nombre de oliva, para que el tubo quede perfectamente ajustado y no se salga una vez conectado. También los hay fabricados íntegramente de plástico.

Conectores

Para ensamblar tubos flexibles se usan conectores de vidrio o plástico con oliva. Pueden ser rectos en forma de T o de Y.

Tubos flexibles

En los laboratorios se requiere de tubos flexibles de distinto grosor para la circulación de líquidos o gases; estos tubos flexibles pueden ser de látex, silicona, neopreno, PVC, Teflón® etc, dependiendo del fluido que se va a usar y la temperatura. Pueden emplearse para la circulación tanto de gases como de líquidos.

En este tipo de tubos, es a veces necesario regular el caudal. Para ello se usan unas pinzas especiales (pinza Hoffman y pinza Mohr) que permiten estrangular parcialmente o incluso cerrar completamente el paso del fluido en cualquier punto de un circuito formado por estos tubos.

Otro tipo de material

A continuación se listan una serie de utensilios de uso frecuente en el laboratorio que no han sido recogidos en los apartados anteriores.

Varilla de vidrio

Son piezas cilíndricas de vidrio macizo que se usan para agitar disoluciones, disolver, manipular sólidos en el embudo, etc.

Espátula metálica

Aunque pueden diferir mucho en tamaño y forma, todas se utilizan para la manipulación de pequeñas cantidades de sólidos. Un tipo especial de espátula metálica es la denominada “scoopula[5] que se emplea para transferir sólidos a un papel de pesada.

Tijeras

Existen varios tipos de tijeras, cuyo diseño depende de la aplicación específica para la que se destinan, por tanto, es frecuente disponer de tijeras de uso común (papelería) para emplearlos, por ejemplo, en recortar papel de filtro.

Parafilm®  

Es un tipo de película termoplástica, flexible y autosellante que se comercializa en rollos y que permite cerrar recipientes o sellar tapones de vidrio o plástico. Es resistente a la mayoría de los reactivos más comunes en un laboratorio de química.

Cúter

Es un tipo de cuchillo que presenta una hoja de filo muy cortante y con un mango que puede ser de plástico o metálico. Se suelen emplear para cortar los cromatofolios en CCF, gomas de caucho o silicona, corchos, etc.

Prensa de hilar sodio

El sodio es un metal dúctil, maleable, de bajo punto de fusión y muy reactivo, por lo que su manipulación es relativamente peligrosa. Reacciona violentamente con el agua y con los alcoholes de bajo peso molecular, desprendiendo hidrógeno. Se oxida fácilmente con el aire cubriéndose rápidamente de una capa de óxido o carbonato de sodio, con lo que se pasiva. Con el fin de aumentar su reactividad, en las reacciones orgánicas, se suele adicionar a la reacción en forma de un hilo muy fino (para aumentar su superficie).

Para poder manipularlo con seguridad se corta en pequeños trozos y se introduce en la prensa de sodio, se comprime y se recoge en un recipiente, lleno de un líquido inerte al sodio (hexano o tolueno). Aparte de como reactivo el sodio hilado suele utilizarse para mantener los disolventes anhidros una vez destilados.

Para pesarlo se tara un recipiente con un líquido inerte seco y sobre dicho líquido se va añadiendo el sodio en trocitos pequeños o en hilo si lo tenemos hilado.
Cuando queremos desechar restos de sodio en el laboratorio los hacemos reaccionar con EtOH (nunca se añade agua) en vitrina y lejos de fuentes de calor.

Referencias y notas

[1] El término en inglés “laboratory glassware” se refiere al conjunto de utensilios de vidrio del laboratorio.

[2] Conicidad del 10 %, correspondiente a un semi-ángulo α de la superficie cónica esmerilada de 2º 51′ 45″ con una tolerancia de ±2′.

[3] Las juntas esmeriladas a veces se quedan bloqueadas (agarrotadas) después de utilizarlas. Muchas veces se puede desbloquear aplicando disolventes en la unión mientras se intentan ligeros movimientos rotatorios de una pieza contra otra, se pueden también intentar calentar, con un secador de aire, en una estufa, o bien, se pueden desbloquear usando un baño de ultrasonidos.

[4] Precaución con los tapones: Seleccionar el tamaño adecuado y nunca usar una fuerza excesiva para cerrar un recipiente con un tapón, el vidrio puede romperse y producir cortes de importancia en dedos y manos.

[5] Nombre registrado por Thermo Fisher Scientific (procedente de término inglés “spatula-like scoop”), que se ha generalizado para la denominación de este tipo de espátula.