Co jsou chemické hodiny?

Chemické hodiny jsou scénář, ve kterém reagující chemické sloučeniny způsobují náhlou, pozorovatelnou událost po časovém zpoždění, které lze relativně přesně nastavit úpravou koncentrací reakčních složek. Událost je často označena změnou barvy, ale může mít i jinou podobu, jako je produkce plynu způsobující šumění. V některých případech je změna cyklická a zahrnuje řešení, které periodicky přepíná mezi dvěma nebo více stavy, obvykle indikovanými různými barvami.

Jeden z nejjednodušších chemických hodin je znám jako reakce „jódových hodin“. Dva bezbarvé roztoky se smíchají a po pauze se výsledný roztok náhle změní na tmavě modrou. V nejběžnější verzi experimentu jeden roztok obsahuje zředěnou směs kyseliny sírové a peroxidu vodíku a druhý směs jodidu draselného, ​​škrobu a thiosíranu sodného. Po smíchání roztoků se z jodidu draselného uvolní elementární jod, ale rychlejší reakce mezi jodem a thiosíranem sodným ji převede zpět na bezbarvé jodidové ionty. Po vyčerpání veškerého thiosulfátu je jód schopen reagovat se škrobem za vzniku tmavě modré sloučeniny.

Obzvláště fascinující jsou cyklické nebo oscilační chemické reakce hodin. Normálně probíhá chemická reakce v jednom směru, dokud není dosaženo rovnovážného bodu. Poté nedojde k žádné další změně bez zásahu jiného faktoru, jako je změna teploty. Oscilační reakce byly zpočátku záhadné, protože se zdálo, že toto pravidlo vzdorují spontánním odkloněním od rovnováhy a opakovaným návratem. Ve skutečnosti celková reakce postupuje směrem k rovnováze a zůstává tam, ale v průběhu procesu se cyklicky mění koncentrace jednoho nebo více reaktantů nebo meziproduktů.

V idealizovaných oscilačních chemických hodinách existuje reakce, která vytváří produkt, a další reakce, která tento produkt používá, přičemž koncentrace produktu určuje, která reakce probíhá. Když je koncentrace nízká, nastane první reakce, čímž se získá více produktu. Zvýšení koncentrace produktu však vyvolá druhou reakci, sníží koncentraci a vyvolá první reakci. Výsledkem je cyklus, ve kterém dvě konkurenční reakce určují koncentraci produktu, což zase určuje, která reakce bude probíhat. Po několika cyklech směs dosáhne rovnováhy a reakce se zastaví.

Jeden z prvních cyklických chemických hodin pozoroval William C. Bray v roce 1921. Jednalo se o reakci peroxidu vodíku a jodičnanové soli. Vyšetřování Brayem a jeho studentem Hermannem Liebhafským ukázalo, že redukce jodičnanu na jod při produkci kyslíku a oxidace jódu zpět na jodičnan se prováděla periodicky s cyklickými vrcholy v produkci kyslíku a koncentrací jodu. Toto se stalo známým jako reakce Bray-Liebhafsky.

V 50. a 60. letech 20. století biofyzici Boris P. Belousov a později Anatol M. Zhabotinsky zkoumali další cyklickou reakci zahrnující periodickou oxidaci a redukci soli céru, což mělo za následek oscilační barevné změny. Pokud je reakce Belousov-Zhabotinsky nebo BZ prováděna pomocí tenké vrstvy chemické směsi, je pozorován pozoruhodný efekt, s malými lokálními fluktuacemi koncentrací reaktantů, které vedou ke vzniku složitých vzorců spirál a soustředných kruhů. Probíhající chemické procesy jsou velmi složité a zahrnují až 18 různých reakcí.

Instruktoři vědy Thomas S. Briggs a Warren C. Rauscsher vytvořili na základě výše uvedených reakcí v roce 1972 zajímavé tříbarevné oscilující chemické hodiny. Briggs-Rauscherova reakce představuje řešení, které se periodicky mění z bezbarvé na světle hnědou na tmavě modrá. Při pečlivém nastavení může dojít k 10-15 cyklům, než se usadí do rovnováhy v tmavě modré barvě.

Neobvyklé chemické hodiny, které zahrnují spíše změnu tvaru než barvy, jsou rtuťová srdeční reakce. K roztoku dichromanu draselného v kyselině sírové se přidá kapka rtuti a poblíž rtuti se potom umístí hřebík železa. Na kapce se vytvoří film rtuťového síranu I, který snižuje povrchové napětí a způsobuje jeho rozprostření a dotek železného hřebíku. Když k tomu dojde, elektrony z nehtu redukují rtuť I sulfát zpět na rtuť, obnovují povrchové napětí a způsobují, že se blob opět stahuje a ztrácí kontakt s nehtem. Proces se opakuje mnohokrát, což má za následek cyklickou změnu tvaru.

Chemické hodinové reakce jsou oblastí pokračujícího výzkumu. Obzvláště cyklické nebo oscilační reakce jsou velmi zajímavé pro studium chemické kinetiky a samoorganizujících se systémů. Bylo spekulováno, že reakce tohoto typu mohly být zapojeny do původu života.