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 noggrant 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 innebär en lösning som periodiskt växlar mellan två eller flera tillstånd, vanligtvis indikerade med olika färger.
En av de enklaste kemiska klockorna kallas reaktionen "jodklocka". Två färglösa lösningar blandas 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 frigörs elementär jod från kaliumjodiden, men en snabbare reaktion mellan jod och natriumtiosulfat konverterar den tillbaka till färglösa jodidjoner. När allt tiosulfat har använts kan jod reagera med stärkelsen för att ge en mörkblå förening.
Cykliska eller oscillerande, kemiska klockreaktioner är särskilt fascinerande. Normalt fortsätter en kemisk reaktion i en riktning tills en jämviktspunkt uppnås. Efter detta kommer ingen ytterligare förändring att ske utan ingripande av någon annan faktor, till exempel en temperaturförändring. Svängande reaktioner var ursprungligen förbryllande eftersom de tycktes trotsa denna regel genom att spontant flytta bort från jämvikt och återvända dit upprepade gånger. I verkligheten fortsätter den totala reaktionen mot jämvikt och förblir där, men i processen varierar koncentrationen av en eller flera reaktanter eller mellanprodukter på ett cykliskt sätt.
I en idealiserad oscillerande kemisk klocka finns det en reaktion som skapar en produkt och en annan reaktion som använder denna produkt, med koncentrationen av produkten som avgör 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, minskar koncentrationen och får den första reaktionen att äga rum. Detta resulterar i en cykel där de två konkurrerande reaktionerna bestämmer koncentrationen av en produkt, som i sin tur bestämmer vilken reaktion som kommer att äga rum. Efter ett antal cykler når blandningen jämvikt och reaktionerna slutar.
En av de första cykliska kemiska klockorna observerades av William C. Bray 1921. Den involverade reaktionen av väteperoxid och ett jodatsalt. Undersökning av Bray och hans student Hermann Liebhafsky visade att reduktionen av jodat till jod, med syreproduktion, och oxidationen av jod tillbaka till jodat skedde periodiskt med cykliska toppar i syreproduktionen och jodkoncentrationen. Detta blev känt som Bray-Liebhafsky-reaktionen.
På 1950- och 1960-talet undersökte biofysikerna Boris P. Belousov och senare Anatol M. Zhabotinsky ytterligare en cyklisk reaktion som involverade periodisk oxidation och reduktion av ett ceriumsalt, vilket resulterade i oscillerande färgförändringar. Om Belousov-Zhabotinsky, eller BZ, reaktion utförs med ett tunt lager av den kemiska blandningen, ses en anmärkningsvärd effekt, med små lokala fluktuationer i koncentrationerna av reaktanterna vilket leder till uppkomsten av komplexa spiralmönster 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, som använde ovanstående reaktioner som bas, skapade en intressant tre-färg oscillerande kemisk klocka 1972. Briggs-Rauscher-reaktionen innehåller en lösning som periodvis ändras från färglös till ljusbrun till mörkblå. Om det konfigureras noggrant kan det finnas 10-15 cykler innan det sätter sig i jämvikt i en mörkblå färg.
En ovanlig kemisk klocka som involverar formändringar snarare än färg är den kvicksilver som slår hjärtreaktionen. En droppe kvicksilver sättes till en lösning av kaliumdikromat i svavelsyra, och en järnspik placeras sedan nära kvicksilveret. En film av kvicksilver I sulfat bildas på droppen, vilket minskar ytspänningen och får den att spridas ut och vidröra järnspiken. När detta händer reducerar elektroner från nageln kvicksilver I sulfatet tillbaka till kvicksilver, vilket återställer ytspänningen och får klumpen att dra sig igen och tappar kontakten med spiken. Processen upprepas många gånger, vilket resulterar i en cyklisk formändring.
Kemiska klockreaktioner är ett område av pågående forskning. Speciellt cykliska eller svängande reaktioner är av stort intresse för studier av kemisk kinetik och självorganiserande system. Det har spekulerats att reaktioner av denna typ kan ha varit involverade i livets ursprung.