Wat is een chemische klok?

Een chemische klok is een scenario waarbij reagerende chemische verbindingen een plotselinge, waarneembare gebeurtenis veroorzaken na een vertraging die relatief nauwkeurig kan worden ingesteld door de concentraties van de reagentia aan te passen. Vaak wordt de gebeurtenis aangegeven door een verandering in kleur, maar het kan een andere vorm aannemen, zoals de productie van gas dat bruist. In sommige gevallen is de verandering cyclisch en omvat het een oplossing die periodiek schakelt tussen twee of meer toestanden, meestal aangegeven door verschillende kleuren.

Een van de eenvoudigste chemische klokken staat bekend als de "jodiumklok" -reactie. Twee kleurloze oplossingen worden gemengd en na een pauze wordt de resulterende oplossing abrupt donkerblauw. In de meest gebruikelijke versie van het experiment bevat de ene oplossing een verdund mengsel van zwavelzuur en waterstofperoxide en de andere een mengsel van kaliumjodide, zetmeel en natriumthiosulfaat. Bij het mengen van de oplossingen komt elementair jodium vrij uit het kaliumjodide, maar een snellere reactie tussen het jodium en het natriumthiosulfaat zet het terug om in kleurloze jodide-ionen. Wanneer al het thiosulfaat is opgebruikt, kan het jodium reageren met het zetmeel om een ​​donkerblauwe verbinding te produceren.

Vooral cyclische of oscillerende chemische klokreacties zijn fascinerend. Normaal gesproken verloopt een chemische reactie in één richting totdat een evenwichtspunt is bereikt. Hierna zal geen verdere verandering plaatsvinden zonder tussenkomst van een andere factor, zoals een temperatuurverandering. Oscillerende reacties waren aanvankelijk raadselachtig omdat ze deze regel leken te trotseren door spontaan uit evenwicht te gaan en er herhaaldelijk naar terug te keren. In werkelijkheid verloopt de algehele reactie naar evenwicht en blijft daar, maar in het proces varieert de concentratie van een of meer reactanten of tussenproducten op een cyclische manier.

In een geïdealiseerde oscillerende chemische klok is er een reactie die een product creëert en een andere reactie die dit product gebruikt, waarbij de concentratie van het product bepaalt welke reactie plaatsvindt. Wanneer de concentratie laag is, treedt de eerste reactie op, waardoor meer van het product wordt gemaakt. Een verhoging van de concentratie van het product leidt echter tot de tweede reactie, waardoor de concentratie wordt verlaagd en de eerste reactie plaatsvindt. Dit resulteert in een cyclus waarbij de twee concurrerende reacties de concentratie van een product bepalen, die op zijn beurt bepaalt welke reactie zal plaatsvinden. Na een aantal cycli zal het mengsel evenwicht bereiken en zullen de reacties stoppen.

Een van de eerste cyclische chemische klokken werd waargenomen door William C. Bray in 1921. Het betrof de reactie van waterstofperoxide en een jodaatzout. Onderzoek door Bray en zijn student Hermann Liebhafsky toonde aan dat de reductie van jodium naar jodium, met productie van zuurstof, en de oxidatie van jodium terug naar jodaat op een periodieke manier plaatsvond met cyclische pieken in zuurstofproductie en jodiumconcentratie. Dit werd bekend als de Bray-Liebhafsky-reactie.

In de jaren vijftig en zestig hebben de biofysici Boris P. Belousov en later Anatol M. Zhabotinsky een andere cyclische reactie onderzocht met betrekking tot de periodieke oxidatie en reductie van een ceriumzout, resulterend in oscillerende kleurveranderingen. Als de Belousov-Zhabotinsky, of BZ, reactie wordt uitgevoerd met behulp van een dunne laag van het chemische mengsel, wordt een opmerkelijk effect gezien, met kleine lokale fluctuaties in de concentraties van de reactanten die leiden tot het ontstaan ​​van complexe patronen van spiralen en concentrische cirkels. De chemische processen die plaatsvinden zijn zeer complex en omvatten maar liefst 18 verschillende reacties.

De wetenschapsinstructeurs Thomas S. Briggs en Warren C. Rauscsher gebruikten de bovenstaande reacties als basis en creëerden in 1972 een interessante driekleuren oscillerende chemische klok. De Briggs-Rauscher-reactie bevat een oplossing die periodiek verandert van kleurloos naar lichtbruin tot donkerblauw. Als het zorgvuldig is ingesteld, kunnen er 10-15 cycli duren voordat het in een donkerblauwe kleur in evenwicht komt.

Een ongebruikelijke chemische klok met vormveranderingen in plaats van kleur is de kwik kloppende hartreactie. Een druppel kwik wordt toegevoegd aan een oplossing van kaliumdichromaat in zwavelzuur en een ijzeren nagel wordt dan dicht bij het kwik geplaatst. Op de druppel vormt zich een film van kwik I sulfaat, waardoor de oppervlaktespanning wordt verminderd en de ijzernagel wordt verspreid. Wanneer dit gebeurt, verminderen elektronen uit de nagel het kwik I-sulfaat terug tot kwik, waardoor de oppervlaktespanning wordt hersteld en de klodder weer samentrekt, waardoor het contact met de nagel verloren gaat. Het proces herhaalt zich vele malen, wat resulteert in een cyclische vormverandering.

Chemische klokreacties zijn een gebied van voortdurend onderzoek. Vooral cyclische of oscillerende reacties zijn van groot belang bij de studie van chemische kinetiek en zelforganiserende systemen. Er is gespeculeerd dat dit soort reacties mogelijk betrokken zijn geweest bij de oorsprong van het leven.