O que é um relógio químico?
Um relógio químico é um cenário em que compostos químicos reagentes provocam um evento repentino e observável após um atraso de tempo que pode ser definido com relativa precisão, ajustando as concentrações dos reagentes. Muitas vezes, o evento é indicado por uma mudança de cor, mas pode assumir outra forma, como a produção de gás, causando efervescência. Em alguns casos, a alteração é cíclica e envolve uma solução que alterna periodicamente entre dois ou mais estados, geralmente indicados por cores diferentes.
Um dos relógios químicos mais simples é conhecido como reação do "relógio do iodo". Duas soluções incolores são misturadas e, após uma pausa, a solução resultante fica abruptamente azul escuro. Na versão mais comum do experimento, uma solução contém uma mistura diluída de ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio e a outra uma mistura de iodeto de potássio, amido e tiossulfato de sódio. Ao misturar as soluções, o iodo elementar é liberado do iodeto de potássio, mas uma reação mais rápida entre o iodo e o tiossulfato de sódio o converte novamente em íons iodeto incolor. Quando todo o tiossulfato foi usado, o iodo é capaz de reagir com o amido para produzir um composto azul escuro.
As reações químicas do relógio cíclicas ou oscilantes são particularmente fascinantes. Normalmente, uma reação química prossegue em uma direção até que um ponto de equilíbrio seja alcançado. Depois disso, nenhuma mudança adicional ocorrerá sem a intervenção de algum outro fator, como uma mudança de temperatura. As reações oscilantes foram inicialmente intrigantes, pois pareciam desafiar essa regra afastando-se espontaneamente do equilíbrio e retornando lá repetidamente. Na realidade, a reação geral prossegue em direção ao equilíbrio e permanece lá, mas no processo, a concentração de um ou mais reagentes ou produtos intermediários varia de maneira cíclica.
Em um relógio químico oscilante idealizado, há uma reação que cria um produto e outra reação que utiliza esse produto, com a concentração do produto determinando qual reação ocorre. Quando a concentração é baixa, ocorre a primeira reação, produzindo mais produto. Um aumento na concentração do produto, no entanto, desencadeia a segunda reação, reduzindo a concentração e levando a primeira reação a ocorrer. Isso resulta em um ciclo no qual as duas reações concorrentes determinam a concentração de um produto, que por sua vez determina qual reação ocorrerá. Após vários ciclos, a mistura alcançará o equilíbrio e as reações pararão.
Um dos primeiros relógios químicos cíclicos foi observado por William C. Bray em 1921. Envolveu a reação do peróxido de hidrogênio e um sal de iodato. A investigação de Bray e seu aluno Hermann Liebhafsky mostrou que a redução do iodato em iodo, com produção de oxigênio, e a oxidação do iodo de volta ao iodato ocorriam de maneira periódica, com picos cíclicos na produção de oxigênio e na concentração de iodo. Isso veio a ser conhecido como a reação de Bray-Liebhafsky.
Nas décadas de 1950 e 1960, os biofísicos Boris P. Belousov e, mais tarde, Anatol M. Zhabotinsky investigaram outra reação cíclica envolvendo a oxidação periódica e a redução de um sal de cério, resultando em mudanças de cores oscilantes. Se a reação de Belousov-Zhabotinsky, ou BZ, é realizada usando uma fina camada da mistura química, observa-se um efeito notável, com pequenas flutuações locais nas concentrações dos reagentes, levando ao surgimento de padrões complexos de espirais e círculos concêntricos. Os processos químicos ocorridos são muito complexos, envolvendo até 18 reações distintas.
Os instrutores científicos Thomas S. Briggs e Warren C. Rauscsher, usando as reações acima como base, criaram um interessante relógio químico oscilante de três cores em 1972. A reação de Briggs-Rauscher apresenta uma solução que muda periodicamente de incolor para marrom claro para azul escuro. Se configurado com cuidado, pode haver de 10 a 15 ciclos antes que ele entre em equilíbrio na cor azul escuro.
Um relógio químico incomum que envolve mudanças de forma e não de cor é a reação do coração batendo de mercúrio. Uma gota de mercúrio é adicionada a uma solução de dicromato de potássio em ácido sulfúrico e uma unha de ferro é então colocada próxima ao mercúrio. Um filme de mercúrio I forma sulfato na gota, reduzindo a tensão superficial e fazendo com que ela se espalhe e toque na unha de ferro. Quando isso acontece, os elétrons da haste reduzem o mercúrio sulfato de volta ao mercúrio, restaurando a tensão superficial e fazendo com que a bolha se contraia novamente, perdendo o contato com a haste. O processo se repete muitas vezes, resultando em uma mudança cíclica de forma.
As reações químicas do relógio são uma área de pesquisa em andamento. As reações cíclicas ou oscilantes, em particular, são de grande interesse no estudo da cinética química e de sistemas auto-organizados. Especula-se que reações desse tipo possam estar envolvidas na origem da vida.