Was ist eine chemische Uhr?
Eine chemische Uhr ist ein Szenario, in dem reagierende chemische Verbindungen nach einer Zeitverzögerung ein plötzliches, beobachtbares Ereignis hervorrufen, das durch Einstellen der Konzentrationen der Reaktanten relativ genau eingestellt werden kann. Häufig wird das Ereignis durch eine Änderung der Farbe angezeigt, es kann jedoch auch eine andere Form annehmen, z. B. die Erzeugung von Gas, das ein Aufschäumen verursacht. In einigen Fällen ist die Änderung zyklisch und beinhaltet eine Lösung, die regelmäßig zwischen zwei oder mehr Zuständen wechselt, die normalerweise durch unterschiedliche Farben angezeigt werden.
Eine der einfachsten chemischen Uhren ist die sogenannte Joduhr-Reaktion. Zwei farblose Lösungen werden gemischt und nach einer Pause wird die resultierende Lösung plötzlich dunkelblau. In der gebräuchlichsten 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 elementares Iod aus dem Kaliumiodid freigesetzt, aber eine schnellere Reaktion zwischen dem Iod und dem Natriumthiosulfat wandelt es zurück in farblose Iodidionen um. Wenn das gesamte Thiosulfat aufgebraucht ist, kann das Jod mit der Stärke reagieren und eine dunkelblaue Verbindung bilden.
Besonders faszinierend sind zyklische oder oszillierende chemische Uhrenreaktionen. Normalerweise verläuft eine chemische Reaktion in eine Richtung, bis ein Gleichgewichtspunkt erreicht ist. Danach findet keine weitere Änderung statt, ohne dass ein anderer Faktor, wie z. B. eine Temperaturänderung, eingreift. Oszillierende Reaktionen waren anfangs rätselhaft, da sie sich dieser Regel zu widersetzen schienen, indem sie spontan aus dem Gleichgewicht gerieten und wiederholt dorthin zurückkehrten. In der Realität geht die Gesamtreaktion in Richtung Gleichgewicht und bleibt dort, aber dabei variiert die Konzentration eines oder mehrerer Reaktanten oder Zwischenprodukte auf zyklische Weise.
In einer idealisierten oszillierenden chemischen Uhr gibt es eine Reaktion, die ein Produkt erzeugt, und eine andere Reaktion, die dieses Produkt verwendet, wobei die Konzentration des Produkts bestimmt, welche Reaktion stattfindet. Wenn die Konzentration niedrig ist, tritt die erste Reaktion auf, bei der mehr Produkt gebildet wird. Eine Erhöhung der Produktkonzentration löst jedoch die zweite Reaktion aus, verringert die Konzentration und veranlasst die erste Reaktion. Dies führt zu einem Zyklus, in dem die beiden konkurrierenden Reaktionen die Konzentration eines Produkts bestimmen, was wiederum bestimmt, welche Reaktion stattfinden wird. Nach einer Reihe von Zyklen erreicht das Gemisch ein Gleichgewicht und die Reaktionen hören auf.
Eine der ersten zyklischen chemischen Uhren wurde 1921 von William C. Bray beobachtet. Sie umfasste die Reaktion von Wasserstoffperoxid und einem Jodatsalz. Untersuchungen von Bray und seinem Schüler Hermann Liebhafsky ergaben, dass die Reduktion von Jod zu Jod unter Erzeugung von Sauerstoff und die Oxidation von Jod zurück zu Jod periodisch mit zyklischen Peaks in der Sauerstoffproduktion und Jodkonzentration stattfand. 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 andere zyklische Reaktion, die die periodische Oxidation und Reduktion eines Cersalzes mit oszillierenden Farbveränderungen zur Folge hatte. Wenn die Belousov-Zhabotinsky- oder BZ-Reaktion unter Verwendung einer dünnen Schicht des chemischen Gemisches durchgeführt wird, wird ein bemerkenswerter Effekt beobachtet, wobei kleine lokale Schwankungen der Konzentrationen der Reaktanten zur Entstehung komplexer Muster von Spiralen und konzentrischen Kreisen führen. Die chemischen Prozesse sind sehr komplex und umfassen bis zu 18 verschiedene Reaktionen.
Die Wissenschaftslehrer Thomas S. Briggs und Warren C. Rauscsher haben 1972 auf der Grundlage der obigen Reaktionen eine interessante dreifarbige oszillierende chemische Uhr entwickelt. Die Briggs-Rauscher-Reaktion bietet eine Lösung, die sich periodisch von farblos zu hellbraun zu ändert Dunkelblau. Bei vorsichtiger Einstellung kann es 10-15 Zyklen dauern, bis sich das Gleichgewicht in einer dunkelblauen Farbe einstellt.
Eine ungewöhnliche chemische Uhr, bei der sich die Form und nicht die Farbe ändert, ist die quecksilberschlagende Herzreaktion. Ein Tropfen Quecksilber wird zu einer Lösung von Kaliumdichromat in Schwefelsäure gegeben, und ein Eisennagel wird dann in der Nähe des Quecksilbers platziert. Auf dem Tropfen bildet sich ein Film aus Quecksilber-I-Sulfat, der die Oberflächenspannung verringert und bewirkt, dass er sich ausbreitet und den Eisennagel berührt. In diesem Fall reduzieren die Elektronen des Nagels das Quecksilber-I-Sulfat wieder zu Quecksilber, stellen die Oberflächenspannung wieder her und bewirken, dass sich der Klecks wieder zusammenzieht und den Kontakt zum Nagel verliert. Der Vorgang wiederholt sich viele Male, was zu einer zyklischen Formänderung führt.
Chemische Uhrreaktionen sind ein Bereich der laufenden Forschung. Insbesondere zyklische oder oszillierende Reaktionen sind für die Untersuchung chemischer Kinetiken und selbstorganisierender Systeme von großem Interesse. Es wurde spekuliert, dass Reaktionen dieser Art an der Entstehung des Lebens beteiligt waren.