Co to jest zegar chemiczny?

Zegar chemiczny to scenariusz, w którym reagowanie związków chemicznych powoduje nagłe, obserwowalne zdarzenie po opóźnieniu czasowym, które można ustawić stosunkowo precyzyjnie poprzez dostosowanie stężeń reagentów. Często zdarzenie jest wskazywane przez zmianę koloru, ale może przybierać inną formę, taką jak wytwarzanie gazu powodującego musowanie. W niektórych przypadkach zmiana jest cykliczna i obejmuje rozwiązanie, które okresowo przełącza się między dwoma lub więcej stanami, zwykle wskazywane przez różne kolory.

Jeden z najprostszych zegarów chemicznych jest znany jako reakcja „zegara jodu”. Dwa bezbarwne roztwory są mieszane i po przerwie powstały roztwór nagle zmienia ciemnoniebieski. W najczęstszej wersji eksperymentu jeden roztwór zawiera rozcieńczoną mieszaninę kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru, a druga mieszanka jodku potasu, skrobi i tiosiarczanu sodu. Podczas mieszania roztworów jod żywiołowy jest uwalniany z jodu potasu, ale szybsza reakcja betweEn jod i tiosiarczan sodu przekształca go z powrotem w bezbarwne jony jodku. Kiedy cały tiosiarczan został użyty, jod jest w stanie reakcja z skrobią, aby wytworzyć ciemnoniebieski związek.

Cykliczne lub oscylacyjne reakcje zegara chemicznego są szczególnie fascynujące. Zwykle reakcja chemiczna przebiega w jednym kierunku, aż do osiągnięcia punktu równowagi. Po tym nie nastąpi dalsze zmiany bez interwencji innego czynnika, takiego jak zmiana temperatury. Reakcje oscylujące początkowo były zagadkowe, ponieważ wydawały się przeciwstawić tej zasadzie, spontanicznie odsuwając się od równowagi i powracając tam wielokrotnie. W rzeczywistości ogólna reakcja przechodzi w kierunku równowagi i pozostaje tam, ale w tym procesie stężenie jednego lub więcej reagentów lub produktów pośrednich różni się w sposób cykliczny.

W wyidealizowanym oscylującym chemicznym ClocK, istnieje reakcja, która tworzy produkt i inną reakcję, która wykorzystuje ten produkt, z stężeniem produktu określającego, który reakcja ma miejsce. Gdy stężenie jest niskie, następuje pierwsza reakcja, tworząc więcej produktu. Wzrost stężenia produktu powoduje jednak drugą reakcję, zmniejszając stężenie i wywołując pierwszą reakcję. Powoduje to cykl, w którym dwie konkurencyjne reakcje określają stężenie produktu, co z kolei określa, która reakcja nastąpi. Po kilku cyklach mieszanina osiągnie równowagę, a reakcje się zatrzymają.

Jeden z pierwszych cyklicznych zegarów chemicznych zaobserwował William C. Bray w 1921 r. Wpływa na reakcję nadtlenku wodoru i soli jodatowej. Dochodzenie Braya i jego studenta Hermanna Liebhafsky'ego wykazało, że zmniejszenie jodu do jodu, wraz z produkcją tlenu i utlenianie jodu z powrotem do jodu zajęło placE w okresowy sposób z cyklicznymi pikami w produkcji tlenu i stężeniu jodu. Stało się to znane jako reakcja Bray-Liebhafsky.

W latach 50. i 60. biofizycy Boris P. Belousov, a później Anatol M. Zhabotinsky badali kolejną cykliczną reakcję obejmującą okresowe utlenianie i zmniejszenie soli ceru, co powoduje oscylację zmian kolorów. Jeśli Belousov-Zhabotinsky, reakcja, reakcja jest przeprowadzana przy użyciu cienkiej warstwy mieszaniny chemicznej, widać niezwykły efekt, z małymi lokalnymi fluktuacją w stężeniach reagentów prowadzących do pojawienia się złożonych wzorów spirali i koncentrycznych kół. Zakładające procesy chemiczne są bardzo złożone, obejmujące aż 18 odrębnych reakcji.

Instruktorzy nauki Thomas S. Briggs i Warren C. Rauscsher, wykorzystując powyższe reakcje jako podstawę, stworzyli interesujący trójkolorowy zegar chemiczny oscylujący w 1972 roku. Reakcja Briggs-Rauscher ma rozwiązanie, które to rozwiązanie, któreokresowo zmienia się z bezbarwnego na jasnobrązowy na ciemnoniebieski. Jeśli ustawiono ostrożnie, może istnieć 10-15 cykli, zanim ustali się w równowadze w ciemnoniebieskim kolorze.

Niezwykłym zegar chemicznym, który wiąże się z zmianami kształtu, a nie koloru, jest reakcja serca bicia rtęci. Kropla rtęci dodaje się do roztworu dichromianu potasu w kwasie siarkowym, a następnie żelazne gwóźdź umieszcza się blisko rtęci. Film siarczanu rtęci I tworzy się na kropli, zmniejszając napięcie powierzchniowe i powodując, że rozkłada się i dotykała żelaznego paznokcia. Kiedy tak się dzieje, elektrony z paznokci zmniejszają siarczan rtęci I z powrotem do rtęci, przywracając napięcie powierzchniowe i powodując ponowne kurczenie się plamy, tracąc kontakt z gwoździem. Proces powtarza się wiele razy, co powoduje cykliczną zmianę kształtu.

Reakcje zegara chemicznego są obszarem trwających badań. W szczególności reakcje cykliczne lub oscylujące są bardzo interesujące w badaniu kinetyki chemicznej i samozadowoleniaSystemy NINISH. Spekuluje się, że reakcje tego typu mogły być zaangażowane w pochodzenie życia.