Qu'est-ce qu'une horloge chimique?
Une horloge chimique est un scénario dans lequel les composés chimiques réagissent provoquent un événement soudain et observable après un délai qui peut être réglé de manière relativement précise en ajustant les concentrations des réactifs. L'événement est souvent indiqué par un changement de couleur, mais il peut prendre d'autres formes, telles que la production de gaz provoquant une effervescence. Dans certains cas, le changement est cyclique et implique une solution qui permute périodiquement entre deux ou plusieurs états, généralement indiquée par des couleurs différentes.
Une des horloges chimiques les plus simples est connue sous le nom de «réaction d'horloge à l'iode». Deux solutions incolores sont mélangées et après une pause, la solution résultante devient brusquement bleu foncé. Dans la version la plus courante de l’expérience, une solution contient un mélange dilué d’acide sulfurique et de peroxyde d’hydrogène et l’autre, un mélange d’iodure de potassium, d’amidon et de thiosulfate de sodium. Lors du mélange des solutions, l'iode élémentaire est libéré par l'iodure de potassium, mais une réaction plus rapide entre l'iode et le thiosulfate de sodium le reconvertit en ions iodure incolores. Lorsque tout le thiosulfate a été utilisé, l'iode est capable de réagir avec l'amidon pour produire un composé bleu foncé.
Les réactions d'horloge chimiques cycliques ou oscillantes sont particulièrement fascinantes. Normalement, une réaction chimique se produit dans une direction jusqu'à ce qu'un point d'équilibre soit atteint. Après cela, aucun autre changement ne se produira sans l'intervention d'un autre facteur, tel qu'un changement de température. Les réactions oscillantes étaient initialement déconcertantes car elles semblaient défier cette règle en s'éloignant spontanément de l'équilibre et en y retournant à plusieurs reprises. En réalité, la réaction globale tend vers l'équilibre et y reste, mais dans le processus, la concentration d'un ou plusieurs réactifs ou produits intermédiaires varie de manière cyclique.
Dans une horloge chimique oscillante idéalisée, il y a une réaction qui crée un produit et une autre réaction qui utilise ce produit, la concentration du produit déterminant la réaction qui se produit. Lorsque la concentration est basse, la première réaction se produit et produit davantage de produit. Cependant, une augmentation de la concentration du produit déclenche la seconde réaction, réduisant la concentration et provoquant la première réaction. Il en résulte un cycle dans lequel les deux réactions en compétition déterminent la concentration d'un produit, ce qui détermine à son tour quelle réaction aura lieu. Après un certain nombre de cycles, le mélange atteindra l'équilibre et les réactions s'arrêteront.
William C. Bray a observé l'une des premières horloges chimiques cycliques en 1921. Il s'agissait de la réaction du peroxyde d'hydrogène et d'un sel d'iodate. L'enquête de Bray et de son élève Hermann Liebhafsky a montré que la réduction de l'iodate en iode, avec production d'oxygène, et l'oxydation de l'iode en iodate se produisaient de manière périodique avec des pics cycliques de production et de concentration en oxygène. Ceci fut connu sous le nom de réaction de Bray-Liebhafsky.
Dans les années 1950 et 1960, les biophysiciens Boris P. Belousov et plus tard Anatol M. Zhabotinsky ont étudié une autre réaction cyclique impliquant l'oxydation et la réduction périodiques d'un sel de cérium, entraînant des changements de couleur oscillants. Si la réaction de Belousov-Zhabotinsky, ou BZ, est effectuée en utilisant une couche mince du mélange chimique, un effet remarquable est observé, avec de petites fluctuations locales dans les concentrations des réactifs conduisant à l'émergence de motifs complexes de spirales et de cercles concentriques. Les processus chimiques en cours sont très complexes et impliquent jusqu'à 18 réactions distinctes.
Les instructeurs scientifiques Thomas S. Briggs et Warren C. Rauscsher, s’appuyant sur les réactions ci-dessus, ont créé une horloge chimique oscillante tricolore intéressante en 1972. La réaction de Briggs-Rauscher propose une solution qui change périodiquement de incolore à brun clair bleu foncé. S'il est configuré avec soin, il peut s'écouler entre 10 et 15 cycles avant qu'il ne s'équilibre dans une couleur bleu foncé.
La réaction cardiaque qui bat le mercure est une horloge chimique inhabituelle qui implique des changements de forme plutôt que de couleur. Une goutte de mercure est ajoutée à une solution de bichromate de potassium dans de l'acide sulfurique, puis un clou en fer est placé à proximité du mercure. Un film de sulfate de mercure I se forme sur la goutte, ce qui réduit la tension superficielle et provoque son étalement et son contact avec le clou de fer. Lorsque cela se produit, les électrons de l'ongle ramènent le sulfate de mercure I en mercure, rétablissant ainsi la tension superficielle et provoquant la contraction de la goutte, perdant ainsi le contact avec l'ongle. Le processus se répète plusieurs fois, entraînant un changement de forme cyclique.
Les réactions d'horloge chimiques sont un domaine de recherche en cours. Les réactions cycliques ou oscillantes en particulier présentent un grand intérêt pour l’étude de la cinétique chimique et des systèmes auto-organisés. On a supposé que de telles réactions pourraient avoir été impliquées dans l'origine de la vie.