化学時計とは何ですか？

化学時計は、反応する化合物の濃度を調整することで比較的正確に設定できる遅延時間の後に、反応する化学化合物が突然の観測可能なイベントを引き起こすシナリオです。 多くの場合、イベントは色の変化によって示されますが、発泡を引き起こすガスの生成など、他の何らかの形をとることがあります。 場合によっては、変更は周期的であり、通常は異なる色で示される2つ以上の状態を定期的に切り替えるソリューションを伴います。

最も単純な化学時計の1つは「ヨウ素時計」反応として知られています。 2つの無色の溶液が混合され、一時停止すると、得られた溶液は突然濃い青色に変わります。 実験の最も一般的なバージョンでは、1つの溶液に硫酸と過酸化水素の希薄混合物が含まれ、もう1つの溶液にヨウ化カリウム、デンプン、チオ硫酸ナトリウムの混合物が含まれています。 溶液を混合すると、ヨウ素元素がヨウ化カリウムから放出されますが、ヨウ素とチオ硫酸ナトリウムの間のより速い反応により、ヨウ素は無色のヨウ化物イオンに戻ります。 すべてのチオ硫酸塩が使い果たされると、ヨウ素は澱粉と反応して濃い青色の化合物を生成します。

周期的または振動する化学時計反応は特に魅力的です。 通常、化学反応は平衡点に達するまで一方向に進行します。 この後、温度の変化など、他の何らかの要因の介入がなければ、それ以上の変化は起こりません。 自発的に平衡状態から離れ、繰り返しそこに戻ることにより、この反応に反するように思われたため、振動反応は最初は不可解でした。 実際には、全体的な反応は平衡に向かって進行し、そこに留まりますが、プロセスでは、1つまたは複数の反応物または中間生成物の濃度が周期的に変化します。

理想化された振動化学時計では、生成物を生成する反応と、この生成物を使用する別の反応があり、生成物の濃度によってどの反応が起こるかが決まります。 濃度が低いと、最初の反応が起こり、より多くの生成物が生成されます。 ただし、製品の濃度が増加すると、2番目の反応がトリガーされ、濃度が低下して最初の反応が行われます。 これにより、2つの競合する反応が生成物の濃度を決定するサイクルが発生し、その結果、どの反応が起こるかが決定されます。 数サイクル後、混合物は平衡に達し、反応は停止します。

最初の循環化学時計の1つは、1921年にウィリアムC.ブレイによって観察されました。これには、過酸化水素とヨウ素酸塩の反応が含まれていました。 ブレイと彼の学生ヘルマン・リーバフスキーによる調査では、酸素の生成によるヨウ素酸塩のヨウ素への還元、およびヨウ素のヨウ素酸塩への酸化が周期的に行われ、酸素生産とヨウ素濃度の周期的なピークが見られました。 これは、Bray-Liebhafsky反応として知られるようになりました。

1950年代と1960年代に、生物物理学者のボリスP.ベロソフと後にアナトールM.シャボチンスキーは、セリウム塩の周期的な酸化と還元を含む別の周期的反応を調査し、色の変化を振動させました。 Belousov-Zhabotinsky、またはBZの反応が化学混合物の薄い層を使用して実行される場合、顕著な効果が見られ、反応物の濃度の小さな局所変動がらせんと同心円の複雑なパターンの出現につながります。 行われる化学プロセスは非常に複雑で、18もの異なる反応が含まれます。

科学教師のトーマス・S・ブリッグスとウォーレン・C・ラウシャーは、上記の反応を基礎として、1972年に興味深い3色振動化学時計を作成しました。ブリッグス-ラウシャー反応は、無色から薄茶色に周期的に変化する溶液を特徴としています濃紺。 慎重に設定すると、10から15サイクル後に暗青色で平衡状態に落ち着くことがあります。

色ではなく形状の変化を伴う珍しい化学時計は、水銀の鼓動する心臓の反応です。 硫酸中の二クロム酸カリウムの溶液に水銀を1滴加え、鉄の爪を水銀の近くに置きます。 硫酸水銀Iの膜が液滴上に形成され、表面張力が低下し、それが広がって鉄の爪に触れます。 これが起こると、爪からの電子が硫酸水銀を還元して水銀に戻し、表面張力を回復し、小塊を再び収縮させ、爪との接触を失います。 このプロセスは何度も繰り返され、結果として形状が周期的に変化します。

化学時計反応は、現在進行中の研究分野です。 特に、循環反応または振動反応は、化学反応速度論および自己組織化システムの研究において非常に興味深いものです。 このタイプの反応が生命の起源に関係している可能性があると推測されています。