Was ist eine chemische Uhr?
Eine chemische Uhr ist ein Szenario, in dem reagierende chemische Verbindungen ein plötzliches, beobachtbares Ereignis nach einer Zeitverzögerung hervorrufen, die relativ genau eingestellt werden kann, indem die Konzentrationen der Reaktanten angepasst werden. Oft wird das Ereignis durch eine Farbänderung angezeigt, kann jedoch eine andere Form dauern, wie z. In einigen Fällen ist die Änderung zyklisch und beinhaltet eine Lösung, die regelmäßig zwischen zwei oder mehr Zuständen wechselt, die normalerweise durch verschiedene Farben angezeigt werden. Zwei farblose Lösungen sind gemischt und nach einer Pause wird die resultierende Lösung abrupt dunkelblau. In der häufigsten Version des Experiments enthält eine Lösung eine verdünnte Mischung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid und die andere eine Mischung aus Kaliumiodid, Stärke und Natriumthiosulfat. Beim Mischen der Lösungen wird Elementaliod aus dem Kaliumiodid freigesetzt, aber eine schnellere Reaktion zwischenEn das Jod und das Natriumthiosulfat konvertiert es wieder in farblose Jodidionen. Wenn das gesamte Thiosulfat verwendet wurde, kann das Jod mit der Stärke reagieren, um eine dunkelblaue Verbindung zu erzeugen.
Zyklische oder oszillierende chemische Taktreaktionen sind besonders faszinierend. Normalerweise verläuft eine chemische Reaktion in eine Richtung, bis ein Gleichgewichtspunkt erreicht ist. Danach findet keine weitere Änderung statt, ohne dass ein anderer Faktor eingriffen wird, z. B. eine Temperaturänderung. Oszillierende Reaktionen waren anfangs rätselhaft, da sie sich dieser Regel zu entziehen schienen, indem sie sich spontan vom Gleichgewicht entfernen und wiederholt dorthin zurückkehrten. In Wirklichkeit geht die Gesamtreaktion in Richtung Gleichgewicht und bleibt dort, aber die Konzentration eines oder mehrerer Reaktanten oder Zwischenprodukte variiert in zyklischer Weise.In einer idealisierten oszillierenden chemischen ClocK, es gibt eine Reaktion, die ein Produkt und eine andere Reaktion erzeugt, die dieses Produkt verwendet, wobei die Konzentration des Produkts feststellt, welche Reaktion stattfindet. Wenn die Konzentration niedrig ist, tritt die erste Reaktion auf und macht mehr aus dem Produkt. Eine Zunahme der Produktkonzentration löst jedoch die zweite Reaktion aus, verringert die Konzentration und veranlasst die erste Reaktion, die stattfinden soll. Dies führt zu einem Zyklus, in dem die beiden konkurrierenden Reaktionen die Konzentration eines Produkts bestimmen, was wiederum feststellt, welche Reaktion stattfinden wird. Nach einer Reihe von Zyklen erreicht das Gemisch das Gleichgewicht und die Reaktionen stoppen.
Eine der ersten zyklischen chemischen Uhren wurde von William C. Bray 1921 beobachtet. Es umfasste die Reaktion von Wasserstoffperoxid und ein Jodatsalz. Die Untersuchung von Bray und seiner Schülerin Hermann Liebhafsky zeigten, dass die Reduktion von Jod auf Jod, mit Sauerstoffproduktion und die Oxidation von Jod zurück nach Jodat, platziertee in regelmäßiger Weise mit zyklischen Peaks in der Sauerstoffproduktion und der Jodkonzentration. Dies wurde als Bray-LiebhaFsky-Reaktion bekannt.
In den 1950er und 1960er Jahren untersuchten die Biophysiker Boris P. Belousov und später Anatol M. Zhabotinsky eine weitere zyklische Reaktion, bei der die regelmäßige Oxidation und Reduktion eines Ceriumsalzes umfasste, was zu oszillierenden Farbveränderungen führte. Wenn die Belousov-Zhabotinsky oder BZ, Reaktion unter Verwendung einer dünnen Schicht des chemischen Gemisches durchgeführt wird, wird ein bemerkenswerter Effekt mit kleinen lokalen Schwankungen in den Konzentrationen der Reaktanten gesehen, die zur Entstehung komplexer Spiralenmuster und konzentrischer Kreise führen. Die chemischen Prozesse sind sehr komplex und umfassen bis zu 18 unterschiedliche Reaktionen.
Die Wissenschaftsausbilder Thomas S. Briggs und Warren C. Rauscsher, die die obigen Reaktionen als Basis verwendetenVerändert sich regelmäßig von farblos zu hellbraun zu dunkelblau. Wenn es sorgfältig eingerichtet ist, können 10-15 Zyklen vorhanden sein, bevor es sich in dunkelblauer Farbe in das Gleichgewicht setzt.
Eine ungewöhnliche chemische Uhr, die eher Formänderungen als Farbe beinhaltet, ist die Mercury -Schlacht -Herzreaktion. Zu einer Lösung von Kaliumdichromat in Schwefelsäure wird ein Quecksilbertropfen zugesetzt, und dann wird ein Eisennagel in der Nähe des Quecksilbers platziert. Ein Film von Quecksilber I Sulfat bildet sich im Tropfen, wodurch die Oberflächenspannung reduziert und den eisernen Nagel ausbreitet und berührt. In diesem Fall reduzieren die Elektronen aus dem Nagel das Quecksilber, das ich sulfat, in Quecksilber zurück, wodurch die Oberflächenspannung wiederhergestellt wird und den Blob erneut zusammenzieht und den Kontakt mit dem Nagel verliert. Der Vorgang wiederholt sich viele Male, was zu einer zyklischen Formänderung führt.
chemische Taktreaktionen sind ein Bereich der laufenden Forschung. Insbesondere zyklische oder oszillierende Reaktionen sind von großem Interesse an der Untersuchung der chemischen Kinetik und des Selbstorgas von großem InteresseSysteme nizieren. Es wurde spekuliert, dass Reaktionen dieser Art möglicherweise am Ursprung des Lebens beteiligt sein.