Hvad er et kemisk ur?
Et kemisk ur er et scenarie, hvor reaktion af kemiske forbindelser medfører en pludselig, observerbar begivenhed efter en tidsforsinkelse, der kan indstilles relativt præcist ved at justere koncentrationerne af reaktanterne. Begivenheden er ofte indikeret af en ændring i farve, men den kan have en anden form, såsom produktion af gas, der forårsager brus. I nogle tilfælde er ændringen cyklisk og involverer en løsning, der periodisk skifter mellem to eller flere tilstande, normalt angivet med forskellige farver.
En af de enkleste kemiske ure er kendt som "jodur" -reaktionen. To farveløse opløsninger blandes, og efter en pause bliver den resulterende opløsning pludselig mørkeblå. I den mest almindelige version af eksperimentet indeholder den ene opløsning en fortyndet blanding af svovlsyre og hydrogenperoxid, og den anden en blanding af kaliumiodid, stivelse og natriumthiosulfat. Ved blanding af opløsninger frigøres elementært jod fra kaliumiodid, men en hurtigere reaktion mellem jod og natriumthiosulfat omdanner det tilbage til farveløse jodioner. Når alt thiosulfat er brugt op, er joden i stand til at reagere med stivelsen for at producere en mørkeblå forbindelse.
Cykliske eller svingende, kemiske urreaktioner er særlig fascinerende. Normalt fortsætter en kemisk reaktion i en retning, indtil et ligevægtspunkt er nået. Herefter finder der ikke nogen yderligere ændring sted uden indgreb fra en anden faktor, såsom ændring i temperatur. Oscillerende reaktioner var oprindeligt forundrende, da de så ud til at trosse denne regel ved spontant at bevæge sig væk fra ligevægt og vende tilbage derpå gentagne gange. I virkeligheden fortsætter den samlede reaktion mod ligevægt og forbliver der, men under processen varierer koncentrationen af en eller flere reaktanter eller mellemprodukter på en cyklisk måde.
I et idealiseret oscillerende kemisk ur er der en reaktion, der skaber et produkt og en anden reaktion, der bruger dette produkt, med koncentrationen af produktet, der bestemmer, hvilken reaktion der finder sted. Når koncentrationen er lav, forekommer den første reaktion, hvilket gør mere af produktet. En stigning i produktets koncentration udløser imidlertid den anden reaktion, reducerer koncentrationen og får den første reaktion til at finde sted. Dette resulterer i en cyklus, hvor de to konkurrerende reaktioner bestemmer koncentrationen af et produkt, som igen bestemmer, hvilken reaktion der vil finde sted. Efter et antal cyklusser når blandingen ligevægt, og reaktionerne stopper.
En af de første cykliske kemiske ure blev observeret af William C. Bray i 1921. Den involverede reaktion af brintperoxid og et iodatsalt. Undersøgelse af Bray og hans studerende Hermann Liebhafsky viste, at reduktionen af iodat til jod med iltproduktion og oxidationen af jod tilbage til iodat foregik periodisk med cykliske toppe i iltproduktionen og jodkoncentrationen. Dette blev kendt som Bray-Liebhafsky-reaktionen.
I 1950'erne og 1960'erne undersøgte biofysikerne Boris P. Belousov og senere Anatol M. Zhabotinsky en anden cyklisk reaktion, der involverede periodisk oxidation og reduktion af et ceriumsalt, hvilket resulterede i svingende farveændringer. Hvis Belousov-Zhabotinsky, eller BZ, reaktion udføres ved hjælp af et tyndt lag af den kemiske blanding, ses en bemærkelsesværdig virkning med små lokale udsving i koncentrationerne af reaktanterne, der fører til fremkomsten af komplekse mønstre af spiraler og koncentriske cirkler. De kemiske processer, der finder sted, er meget komplekse og involverer så mange som 18 forskellige reaktioner.
Videnskabsinstruktørerne Thomas S. Briggs og Warren C. Rauscsher brugte ovennævnte reaktioner som basis og skabte et interessant oscillerende kemisk ur i tre farver i 1972. Briggs-Rauscher-reaktionen indeholder en løsning, der med jævne mellemrum skifter fra farveløs til lysebrun til mørkeblå. Hvis det konfigureres omhyggeligt, kan der være 10-15 cyklusser, før det sætter sig i ligevægt i en mørkeblå farve.
Et usædvanligt kemisk ur, der involverer formændringer snarere end farve, er den kviksølv, der banker på hjertets reaktion. En dråbe kviksølv sættes til en opløsning af kaliumdichromat i svovlsyre, og en jernspik placeres derefter tæt på kviksølvet. Der dannes en film af kviksølv I-sulfat på dråben, hvilket reducerer overfladespændingen og får den til at sprede sig ud og røre ved jernspikeren. Når dette sker reducerer elektroner fra neglen kviksølvet I sulfat tilbage til kviksølv, hvilket gendanner overfladespændingen og får kloden til at trække sig sammen igen og mister kontakten med neglen. Processen gentages mange gange, hvilket resulterer i en cyklisk formændring.
Kemiske urreaktioner er et område i løbende forskning. Især cykliske eller svingende reaktioner er af stor interesse i studiet af kemisk kinetik og selvorganiserende systemer. Det er blevet spekuleret i, at reaktioner af denne type kan have været involveret i livets oprindelse.