Co to jest zegar chemiczny?
Zegar chemiczny jest scenariuszem, w którym reagujące związki chemiczne wywołują nagłe, obserwowalne zdarzenie po opóźnieniu czasowym, które można względnie precyzyjnie ustawić, dostosowując stężenia reagentów. Często zdarzenie jest wskazywane przez zmianę koloru, ale może przybierać inną formę, na przykład wytwarzanie gazu powodującego musowanie. W niektórych przypadkach zmiana jest cykliczna i obejmuje rozwiązanie, które okresowo przełącza się między dwoma lub więcej stanami, zwykle wskazywanymi przez różne kolory.
Jeden z najprostszych zegarów chemicznych jest znany jako reakcja „zegara jodowego”. Dwa bezbarwne roztwory miesza się i po chwili powstały roztwór nagle zmienia kolor na ciemnoniebieski. W najczęstszej wersji eksperymentu jeden roztwór zawiera rozcieńczoną mieszaninę kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru, a drugi mieszaninę jodku potasu, skrobi i tiosiarczanu sodu. Po zmieszaniu roztworów jod elementarny uwalnia się z jodku potasu, ale szybsza reakcja między jodem i tiosiarczanem sodu przekształca go z powrotem w bezbarwne jony jodku. Po zużyciu całego tiosiarczanu jod może reagować ze skrobią, tworząc ciemnoniebieski związek.
Cykliczne lub oscylujące chemiczne reakcje zegarowe są szczególnie fascynujące. Zwykle reakcja chemiczna przebiega w jednym kierunku, aż do osiągnięcia punktu równowagi. Po tym nie nastąpi żadna dalsza zmiana bez interwencji jakiegoś innego czynnika, takiego jak zmiana temperatury. Reakcje oscylacyjne były początkowo zagadkowe, ponieważ zdawały się przeciwstawiać tej zasadzie spontanicznie odchodząc od równowagi i powracając tam wielokrotnie. W rzeczywistości ogólna reakcja zachodzi w kierunku równowagi i pozostaje tam, ale w tym procesie stężenie jednego lub więcej reagentów lub produktów pośrednich zmienia się cyklicznie.
W wyidealizowanym oscylującym zegarze chemicznym zachodzi reakcja, która tworzy produkt, i inna reakcja, w której wykorzystuje się ten produkt, przy czym stężenie produktu określa, która reakcja ma miejsce. Gdy stężenie jest niskie, zachodzi pierwsza reakcja, wytwarzając więcej produktu. Wzrost stężenia produktu wyzwala jednak drugą reakcję, zmniejszając stężenie i wywołując pierwszą reakcję. Powoduje to cykl, w którym dwie konkurujące reakcje określają stężenie produktu, co z kolei określa, która reakcja będzie miała miejsce. Po kilku cyklach mieszanina osiągnie równowagę i reakcje zatrzymają się.
Jeden z pierwszych cyklicznych zegarów chemicznych zaobserwował William C. Bray w 1921 r. Obejmował on reakcję nadtlenku wodoru i soli jodanowej. Badanie Braya i jego ucznia Hermanna Liebhafsky'ego pokazało, że redukcja jodu do jodu wraz z produkcją tlenu oraz utlenianie jodu z powrotem do jodu odbywa się okresowo z cyklicznymi szczytami produkcji tlenu i stężenia jodu. To stało się znane jako reakcja Braya-Liebhafsky'ego.
W latach 50. i 60. biofizyk Boris P. Belousov, a później Anatol M. Żabotinsky badali kolejną cykliczną reakcję polegającą na okresowym utlenianiu i redukcji soli ceru, powodując oscylacyjne zmiany koloru. Jeśli reakcję Belousov-Zhabotinsky lub BZ przeprowadza się przy użyciu cienkiej warstwy mieszaniny chemicznej, zauważalny jest niezwykły efekt, z niewielkimi lokalnymi wahaniami stężeń reagentów, prowadzącymi do pojawienia się złożonych wzorów spiral i kół koncentrycznych. Zachodzące procesy chemiczne są bardzo złożone i obejmują aż 18 różnych reakcji.
Nauczyciele naukowi Thomas S. Briggs i Warren C. Rauscsher, wykorzystując powyższe reakcje jako podstawę, stworzyli interesujący trójkolorowy oscylacyjny zegar chemiczny w 1972 roku. Reakcja Briggsa-Rauschera zawiera rozwiązanie, które okresowo zmienia się z bezbarwnego na jasnobrązowy w ciemny niebieski. Jeśli zostanie starannie skonfigurowany, może upłynąć 10-15 cykli, zanim osiągnie równowagę w kolorze ciemnoniebieskim.
Niezwykłym zegarem chemicznym, który obejmuje zmiany kształtu zamiast koloru, jest reakcja serca bijąca rtęć. Kroplę rtęci dodaje się do roztworu dichromianu potasu w kwasie siarkowym, a następnie gwóźdź żelazny umieszcza się blisko rtęci. Na kropli tworzy się warstwa siarczanu rtęci I, zmniejszając napięcie powierzchniowe i powodując jego rozciągnięcie i dotknięcie żelaznego gwoździa. Kiedy tak się dzieje, elektrony z gwoździa redukują siarczan rtęci I z powrotem do rtęci, przywracając napięcie powierzchniowe i powodując, że kropelka kurczy się ponownie, tracąc kontakt z gwoździem. Proces ten powtarza się wiele razy, co powoduje cykliczną zmianę kształtu.
Reakcje zegara chemicznego są obszarem ciągłych badań. Zwłaszcza reakcje cykliczne lub oscylacyjne są bardzo interesujące w badaniach kinetyki chemicznej i układów samoorganizujących się. Spekuluje się, że tego rodzaju reakcje mogły być związane z początkiem życia.