Vad är en kemisk klocka?
En kemisk klocka är ett scenario där reagerande kemiska föreningar medför en plötslig, observerbar händelse efter en tidsfördröjning som kan ställas in relativt exakt genom att justera koncentrationerna av reaktanterna. Ofta indikeras händelsen av en färgförändring, men det kan ta någon annan form, till exempel produktion av gas som orsakar brus. I vissa fall är förändringen cyklisk och involverar en lösning som regelbundet växlar mellan två eller flera tillstånd, vanligtvis indikerade av olika färger.
En av de enklaste kemiska klockorna kallas "jodklocka" -reaktionen. Två färglösa lösningar är blandade och efter en paus blir den resulterande lösningen plötsligt mörkblå. I den vanligaste versionen av experimentet innehåller en lösning en utspädd blandning av svavelsyra och väteperoxid, och den andra en blandning av kaliumjodid, stärkelse och natriumtiosulfat. Vid blandning av lösningarna frisätts elementärt jod från kaliumjodiden, men en snabbare reaktion BetweEn jod och natriumtiosulfatet omvandlar det tillbaka till färglösa jodjoner. När all tiosulfat har använts kan joden reagera med stärkelsen för att producera en mörkblå förening.
cykliska eller oscillerande, kemiska klockreaktioner är särskilt fascinerande. Normalt fortsätter en kemisk reaktion i en riktning tills en jämviktspunkt har uppnåtts. Efter detta kommer ingen ytterligare förändring att ske utan ingripande av någon annan faktor, till exempel en temperaturförändring. Oscillerande reaktioner var initialt förbryllande eftersom de tycktes trotsa denna regel genom att spontant flytta bort från jämvikt och återvända dit upprepade gånger. I verkligheten fortsätter den övergripande reaktionen mot jämvikt och stannar där, men i processen varierar koncentrationen av en eller flera reaktanter eller mellanprodukter på ett cykliskt sätt.
i en idealiserad oscillerande kemisk clocK, det finns en reaktion som skapar en produkt och en annan reaktion som använder denna produkt, med koncentrationen av produkten som bestämmer vilken reaktion som sker. När koncentrationen är låg inträffar den första reaktionen, vilket gör mer av produkten. En ökning av produktens koncentration utlöser emellertid den andra reaktionen och minskar koncentrationen och uppmanar den första reaktionen som äger rum. Detta resulterar i en cykel där de två konkurrerande reaktionerna bestämmer koncentrationen av en produkt, vilket i sin tur bestämmer vilken reaktion som kommer att äga rum. Efter ett antal cykler kommer blandningen att nå jämvikt och reaktionerna kommer att stoppa.
En av de första cykliska kemiska klockorna observerades av William C. Bray 1921. Det involverade reaktionen av väteperoxid och ett jodsalt. Undersökning av Bray och hans student Hermann Liebhafsky visade att reduktionen av jodat till jod, med produktion av syre, och oxidationen av jod tillbaka till jodat tog placeringe på periodiskt sätt med cykliska toppar i syreproduktion och jodkoncentration. Detta blev känt som Bray-Liebhafsky-reaktionen.
På 1950- och 1960 -talet undersökte biofysiker Boris P. Belousov och senare Anatol M. Zhabotinsky en annan cyklisk reaktion som involverade periodisk oxidation och reduktion av ett ceriumsalt, vilket resulterade i oscillerande färgförändringar. Om Belousov-Zhabotinsky, eller BZ, utförs reaktionen med användning av ett tunt skikt av den kemiska blandningen, ses en anmärkningsvärd effekt, med små lokala fluktuationer i koncentrationerna av reaktanter som leder till uppkomsten av komplexa mönster av spiraler och koncentriska cirklar. De kemiska processerna som äger rum är mycket komplexa och involverar så många som 18 distinkta reaktioner.
Vetenskapsinstruktörerna Thomas S. Briggs och Warren C. Rauscsher, med hjälp av ovanstående reaktioner som bas, skapade en intressant trelärg som oscillerande kemisk klocka 1972. Briggs-Rauscher-reaktionen har en lösning somförändras regelbundet från färglöst till ljusbrun till mörkblå. Om det ställs in noggrant kan det finnas 10-15 cykler innan den sätter sig i jämvikt i en mörkblå färg.
En ovanlig kemisk klocka som involverar formförändringar snarare än färg är kvicksilver som slår hjärtreaktionen. En droppe kvicksilver läggs till en lösning av kaliumdikromat i svavelsyra, och en järnspik placeras sedan nära kvicksilveret. En film av kvicksilver I -sulfatformer på droppen, minskar ytspänningen och får den att spridas ut och vidrör järnspiken. När detta händer minskar elektronerna från nageln kvicksilver I -sulfatet tillbaka till kvicksilver, återställer ytspänningen och får klumpen att sammandras igen och förlora kontakten med nageln. Processen upprepar många gånger, vilket resulterar i en cyklisk formförändring.
kemiska klockreaktioner är ett område med pågående forskning. Cykliska eller oscillerande reaktioner är i synnerhet av stort intresse för att studera kemisk kinetik och självorgaNIZING -system. Det har spekulerats att reaktioner av denna typ kan ha varit involverade i livets ursprung.