Hva er en kjemisk klokke?
En kjemisk klokke er et scenario der reaksjon av kjemiske forbindelser medfører en plutselig, observerbar hendelse etter en tidsforsinkelse som kan settes relativt presist ved å justere konsentrasjonene til reaktantene. Ofte indikeres hendelsen av en endring i farge, men det kan ha en annen form, for eksempel produksjon av gass som forårsaker brus. I noen tilfeller er endringen syklisk og innebærer en løsning som periodisk skifter mellom to eller flere tilstander, vanligvis indikert med forskjellige farger.
En av de enkleste kjemiske klokkene er kjent som "jodklokke" -reaksjonen. To fargeløse løsninger blandes og etter en pause blir den resulterende løsningen brått mørkeblå. I den vanligste versjonen av eksperimentet inneholder den ene løsningen en fortynnet blanding av svovelsyre og hydrogenperoksyd, og den andre en blanding av kaliumjodid, stivelse og natriumtiosulfat. Ved blanding av løsningene frigjøres elementært jod fra kaliumjodid, men en raskere reaksjon mellom jod og natriumtiosulfat omdanner det tilbake til fargeløse jodidioner. Når alt tiosulfat er brukt opp, er jodet i stand til å reagere med stivelsen for å produsere en mørk blå forbindelse.
Sykliske, eller oscillerende, kjemiske klokkereaksjoner er spesielt fascinerende. Normalt går en kjemisk reaksjon videre i en retning inntil et likevektspunkt er nådd. Etter dette vil ingen ytterligere endring finne sted uten inngrep fra noen annen faktor, for eksempel en temperaturendring. Oscillerende reaksjoner var opprinnelig rart da de så ut til å trosse denne regelen ved spontant å bevege seg bort fra likevekt og komme tilbake dit gjentatte ganger. I virkeligheten går den generelle reaksjonen mot likevekt og forblir der, men i prosessen varierer konsentrasjonen av en eller flere reaktanter eller mellomprodukter på en syklisk måte.
I en idealisert oscillerende kjemisk klokke er det en reaksjon som skaper et produkt og en annen reaksjon som bruker dette produktet, med konsentrasjonen av produktet som avgjør hvilken reaksjon som finner sted. Når konsentrasjonen er lav, oppstår den første reaksjonen, noe som gjør mer av produktet. En økning i produktets konsentrasjon utløser imidlertid den andre reaksjonen, reduserer konsentrasjonen og får den første reaksjonen til å finne sted. Dette resulterer i en syklus hvor de to konkurrerende reaksjonene bestemmer konsentrasjonen av et produkt, som igjen bestemmer hvilken reaksjon som skal finne sted. Etter et antall sykluser vil blandingen nå likevekt, og reaksjonene vil stoppe.
En av de første sykliske kjemiske klokkene ble observert av William C. Bray i 1921. Den involverte reaksjonen av hydrogenperoksyd og et jodatsalt. Undersøkelse av Bray og hans student Hermann Liebhafsky viste at reduksjonen av jodat til jod, med oksygenproduksjon, og oksydasjonen av jod tilbake til jodat skjedde på en periodisk måte med sykliske topper i oksygenproduksjon og jodkonsentrasjon. Dette ble kjent som Bray-Liebhafsky-reaksjonen.
På 1950- og 1960-tallet undersøkte biofysikerne Boris P. Belousov og senere Anatol M. Zhabotinsky en annen syklisk reaksjon som involverte periodisk oksidasjon og reduksjon av et ceriumsalt, noe som resulterte i svingende fargeforandringer. Hvis Belousov-Zhabotinsky, eller BZ, utføres reaksjon ved bruk av et tynt lag av den kjemiske blandingen, sees en bemerkelsesverdig effekt, med små lokale svingninger i konsentrasjonene av reaktantene som fører til fremveksten av komplekse mønster av spiraler og konsentriske sirkler. De kjemiske prosessene som foregår er veldig komplekse og involverer hele 18 forskjellige reaksjoner.
Vitenskapsinstruktørene Thomas S. Briggs og Warren C. Rauscsher, ved å bruke reaksjonene ovenfor, laget en interessant oscillerende kjemisk klokke med tre farger i 1972. Briggs-Rauscher-reaksjonen har en løsning som med jevne mellomrom endres fra fargeløs til lysebrun til mørke blå. Hvis det er konfigurert nøye, kan det være 10-15 sykluser før det legger seg i likevekt i en mørkeblå farge.
En uvanlig kjemisk klokke som involverer formendringer i stedet for farge, er kvikksølvslagende hjertereaksjon. En dråpe kvikksølv ble tilsatt til en løsning av kaliumdikromat i svovelsyre, og en jernspiker blir deretter plassert nær kvikksølvet. Det dannes en film av kvikksølv I-sulfat på dråpen, noe som reduserer overflatespenningen og får den til å spre seg og berøre jernspikeren. Når dette skjer, reduserer elektroner fra neglen kvikksølvet I sulfat tilbake til kvikksølv, noe som gjenoppretter overflatespenningen og får klumpen til å trekke seg sammen igjen, og mister kontakten med neglen. Prosessen gjentas mange ganger, noe som resulterer i en syklisk formendring.
Kjemiske urreaksjoner er et område av pågående forskning. Spesielt sykliske eller svingende reaksjoner er av stor interesse for studiet av kjemisk kinetikk og selvorganiserende systemer. Det har blitt spekulert i at reaksjoner av denne typen kan ha vært involvert i livets opprinnelse.