Che cos'è un orologio chimico?
Un orologio chimico è uno scenario in cui i composti chimici che reagiscono provocano un evento improvviso e osservabile dopo un ritardo che può essere impostato in modo relativamente preciso regolando le concentrazioni dei reagenti. Spesso l'evento è indicato da un cambiamento di colore, ma può assumere qualche altra forma, come la produzione di gas che causa effervescenza. In alcuni casi, il cambiamento è ciclico e comporta una soluzione che cambia periodicamente tra due o più stati, generalmente indicati da colori diversi.
Uno dei più semplici orologi chimici è noto come la reazione "orologio iodio". Si mescolano due soluzioni incolori e dopo una pausa, la soluzione risultante diventa improvvisamente blu scuro. Nella versione più comune dell'esperimento, una soluzione contiene una miscela diluita di acido solforico e perossido di idrogeno e l'altra una miscela di ioduro di potassio, amido e tiosolfato di sodio. Miscelando le soluzioni, lo ioduro elementare viene rilasciato dallo ioduro di potassio, ma una reazione più rapida tra lo iodio e il tiosolfato di sodio lo converte in ioni ioduro incolore. Quando tutto il tiosolfato è stato esaurito, lo iodio è in grado di reagire con l'amido per produrre un composto blu scuro.
Le reazioni di orologio chimico cicliche o oscillanti sono particolarmente affascinanti. Normalmente, una reazione chimica procede in una direzione fino al raggiungimento di un punto di equilibrio. Successivamente, non si verificherà alcun ulteriore cambiamento senza l'intervento di qualche altro fattore, come un cambiamento di temperatura. Le reazioni oscillanti inizialmente erano sconcertanti poiché sembravano sfidare questa regola allontanandosi spontaneamente dall'equilibrio e ritornando lì ripetutamente. In realtà, la reazione generale procede verso l'equilibrio e rimane lì, ma nel processo, la concentrazione di uno o più reagenti o prodotti intermedi varia in modo ciclico.
In un orologio chimico oscillante idealizzato, c'è una reazione che crea un prodotto e un'altra reazione che usa questo prodotto, con la concentrazione del prodotto che determina quale reazione ha luogo. Quando la concentrazione è bassa, si verifica la prima reazione, aumentando la quantità di prodotto. Un aumento della concentrazione del prodotto, tuttavia, innesca la seconda reazione, riducendo la concentrazione e inducendo la prima reazione a verificarsi. Ciò si traduce in un ciclo in cui le due reazioni concorrenti determinano la concentrazione di un prodotto, che a sua volta determina quale reazione avrà luogo. Dopo un certo numero di cicli, la miscela raggiungerà l'equilibrio e le reazioni si fermeranno.
Uno dei primi orologi chimici ciclici fu osservato da William C. Bray nel 1921. Comprendeva la reazione del perossido di idrogeno e di un sale di iodato. Le indagini condotte da Bray e dal suo studente Hermann Liebhafsky hanno dimostrato che la riduzione dello iodato in iodio, con produzione di ossigeno, e l'ossidazione dello iodio in iodato avvenivano periodicamente con picchi ciclici nella produzione di ossigeno e concentrazione di iodio. Questo divenne noto come reazione di Bray-Liebhafsky.
Negli anni '50 e '60, i biofisici Boris P. Belousov e, in seguito, Anatol M. Zhabotinsky hanno studiato un'altra reazione ciclica che comportava l'ossidazione periodica e la riduzione di un sale di cerio, con conseguente oscillazione dei cambiamenti di colore. Se la reazione di Belousov-Zhabotinsky, o BZ, viene eseguita utilizzando uno strato sottile della miscela chimica, si osserva un effetto notevole, con piccole fluttuazioni locali nelle concentrazioni dei reagenti che portano all'emergere di schemi complessi di spirali e cerchi concentrici. I processi chimici in atto sono molto complessi e coinvolgono ben 18 reazioni distinte.
Gli istruttori di scienza Thomas S. Briggs e Warren C. Rauscsher, usando come base le reazioni di cui sopra, hanno creato un interessante orologio chimico oscillante a tre colori nel 1972. La reazione di Briggs-Rauscher presenta una soluzione che cambia periodicamente da incolore a marrone chiaro a blu scuro. Se impostato con cura, potrebbero esserci 10-15 cicli prima che si stabilizzi in un colore blu scuro.
Un insolito orologio chimico che comporta cambiamenti di forma piuttosto che di colore è la reazione al cuore che batte il mercurio. Una goccia di mercurio viene aggiunta a una soluzione di bicromato di potassio in acido solforico e un chiodo di ferro viene quindi posizionato vicino al mercurio. Sulla goccia si forma un film di solfato di mercurio, che riduce la tensione superficiale e fa sì che si estenda e tocchi l'unghia di ferro. Quando ciò accade, gli elettroni dell'unghia riducono il mercurio che solfato di nuovo in mercurio, ripristinando la tensione superficiale e facendo contrarre nuovamente il blob, perdendo il contatto con l'unghia. Il processo si ripete più volte, provocando un cambiamento ciclico della forma.
Le reazioni agli orologi chimici sono un'area di ricerca in corso. Le reazioni cicliche o oscillanti in particolare sono di grande interesse nello studio della cinetica chimica e dei sistemi auto-organizzanti. È stato ipotizzato che reazioni di questo tipo possano essere state coinvolte nell'origine della vita.