Что такое химические часы?

Химические часы - это сценарий, в котором реагирующие химические соединения приводят к внезапному наблюдаемому событию после временной задержки, которое можно установить относительно точно, регулируя концентрации реагентов. Часто это событие обозначается изменением цвета, но оно может принимать некоторые другие формы, такие как выделение газа, вызывающего всплески. В некоторых случаях изменение носит циклический характер и включает решение, которое периодически переключается между двумя или более состояниями, обычно указанными разными цветами.

Одна из самых простых химических часов известна как реакция «йодных часов». Два бесцветных раствора смешивают и после паузы полученный раствор резко становится темно-синим. В наиболее распространенном варианте эксперимента один раствор содержит разбавленную смесь серной кислоты и пероксида водорода, а другой - смесь йодида калия, крахмала и тиосульфата натрия. При смешивании растворов элементарный йод высвобождается из йодида калия, но более быстрая реакция между йодом и тиосульфатом натрия превращает его обратно в бесцветные иодид-ионы. Когда весь тиосульфат израсходован, йод способен реагировать с крахмалом с образованием темно-синего соединения.

Циклические или колеблющиеся химические часовые реакции особенно интересны Обычно химическая реакция протекает в одном направлении, пока не будет достигнута точка равновесия. После этого никакие дальнейшие изменения не произойдут без вмешательства какого-либо другого фактора, такого как изменение температуры. Колебательные реакции изначально были озадачивающими, так как казалось, что они бросают вызов этому правилу, спонтанно отходя от равновесия и возвращаясь туда неоднократно. В действительности общая реакция идет к равновесию и остается там, но в процессе концентрация одного или нескольких реагентов или промежуточных продуктов изменяется циклическим образом.

В идеализированных колеблющихся химических часах есть реакция, которая создает продукт, и другая реакция, которая использует этот продукт, с концентрацией продукта, определяющей, какая реакция имеет место. Когда концентрация низкая, происходит первая реакция, в результате чего образуется больше продукта. Увеличение концентрации продукта, однако, запускает вторую реакцию, уменьшая концентрацию и вызывая протекание первой реакции. Это приводит к циклу, в котором две конкурирующие реакции определяют концентрацию продукта, которая, в свою очередь, определяет, какая реакция будет иметь место. После ряда циклов смесь достигнет равновесия, и реакции остановятся.

Один из первых циклических химических часов был обнаружен Уильямом К. Бреем в 1921 году. Он включал реакцию перекиси водорода и йодатной соли. Расследование, проведенное Бреем и его учеником Германом Либхафским, показало, что восстановление йодата до йода с образованием кислорода и окисление йода обратно в йодат происходит периодически с циклическими пиками в выработке кислорода и концентрации йода. Это стало известно как реакция Брея-Либхафского.

В 1950-х и 1960-х годах биофизики Борис П. Белоусов, а затем Анатолий Жаботинский исследовали еще одну циклическую реакцию, включающую периодическое окисление и восстановление соли церия, приводящую к колебательным изменениям цвета. Если реакция Белоусова-Жаботинского, или БЗ, проводится с использованием тонкого слоя химической смеси, наблюдается замечательный эффект с небольшими локальными флуктуациями концентраций реагентов, приводящими к появлению сложных рисунков спиралей и концентрических кругов. Происходящие химические процессы очень сложны и включают 18 различных реакций.

Научные преподаватели Томас С. Бриггс и Уоррен С. Раушер, используя вышеуказанные реакции в качестве основы, создали интересные трехцветные колебательные химические часы в 1972 году. Реакция Бриггса-Раушера представляет собой решение, которое периодически меняется от бесцветного до светло-коричневого до темно-синий. При тщательной настройке может пройти 10-15 циклов, прежде чем он придет в равновесие темно-синего цвета.

Необычные химические часы, которые связаны с изменением формы, а не цвета, являются сердечной реакцией, бьющейся ртутью Каплю ртути добавляют к раствору дихромата калия в серной кислоте, а затем железный гвоздь помещают рядом с ртутью. Пленка сульфата ртути I образуется на капле, уменьшая поверхностное натяжение и заставляя его распространяться и касаться железного гвоздя. Когда это происходит, электроны от гвоздя уменьшают содержание сульфата ртути I до уровня ртути, восстанавливая поверхностное натяжение и заставляя шарик снова сокращаться, теряя контакт с гвоздем. Процесс повторяется много раз, что приводит к циклическому изменению формы.

Химические часовые реакции являются областью постоянных исследований. В частности, циклические или колебательные реакции представляют большой интерес для изучения химической кинетики и самоорганизующихся систем. Было высказано предположение, что реакции такого типа могли быть связаны с происхождением жизни.