Hvad er et kemisk ur?

Et kemisk ur er et scenarie, hvor reaktion af kemiske forbindelser medfører en pludselig, observerbar begivenhed efter en tidsforsinkelse, der kan indstilles relativt nøjagtigt ved at justere koncentrationerne af reaktanterne.Ofte er begivenheden indikeret med en farveændring, men det kan tage en anden form, såsom produktion af gas, der forårsager brusning.I nogle tilfælde er ændringen cyklisk og involverer en løsning, der med jævne mellemrum skifter mellem to eller flere tilstande, normalt indikeret af forskellige farver.

En af de enkleste kemiske ure er kendt som "jodur" -reaktionen.To farveløse opløsninger er blandet, og efter en pause bliver den resulterende opløsning pludselig mørkeblå.I den mest almindelige version af eksperimentet indeholder den ene opløsning en fortyndet blanding af svovlsyre og hydrogenperoxid, og den anden en blanding af kaliumiodid, stivelse og natriumthiosulfat.Ved blanding af opløsningerne frigøres elementær jod fra kaliumiodidet, men en hurtigere reaktion mellem jod og natriumthiosulfat omdanner det tilbage til farveløse iodidioner.Når alt thiosulfat er blevet brugt op, er jodet i stand til at reagere med stivelsen for at producere en mørkeblå forbindelse.

Cyklisk eller svingende, kemiske urreaktioner er især fascinerende.Normalt fortsætter en kemisk reaktion i en retning, indtil der er nået et ligevægtspunkt.Efter dette vil der ikke finde sted nogen yderligere ændring uden indgriben fra en anden faktor, såsom en ændring i temperaturen.Oscillerende reaktioner var oprindeligt forundrende, da de så ud til at trosse denne regel ved spontant at bevæge sig væk fra ligevægt og vende tilbage gentagne gange.I virkeligheden fortsætter den samlede reaktion mod ligevægt og forbliver der, men i processen varierer koncentrationen af en eller flere reaktanter eller mellemprodukter på en cyklisk måde.

I et idealiseret oscillerende kemisk ur er der en reaktion, der skaberEt produkt og en anden reaktion, der bruger dette produkt, med koncentrationen af produktet, der bestemmer, hvilken reaktion der finder sted.Når koncentrationen er lav, forekommer den første reaktion, hvilket gør mere af produktet.En stigning i produktets koncentration udløser imidlertid den anden reaktion, reducerer koncentrationen og får den første reaktion til at finde sted.Dette resulterer i en cyklus, hvor de to konkurrerende reaktioner bestemmer koncentrationen af et produkt, som igen bestemmer, hvilken reaktion der vil finde sted.Efter et antal cyklusser når blandingen ligevægt, og reaktionerne stopper.

En af de første cykliske kemiske ure blev observeret af William C. Bray i 1921. Det involverede reaktionen af hydrogenperoxid og et iodatsalt.Undersøgelse af Bray og hans studerende Hermann Liebhafsky viste, at reduktionen af iodat til jod, med produktion af ilt, og oxidation af jod tilbage til jodat fandt sted på en periodisk måde med cykliske toppe i iltproduktion og jodkoncentration.Dette blev kendt som Bray-Liebhafsky-reaktionen.

I 1950'erne og 1960'erne undersøgte biofysikere Boris P. Belousov og senere Anatol M. Zhabotinsky en anden cyklisk reaktion, der involverede den periodiske oxidation og reduktion af en ceriumsalt, hvilket resulterede ii svingende farveændringer.Hvis den Belousov-Zhabotinsky eller BZ, reaktion udføres ved anvendelse af et tyndt lag af den kemiske blanding, ses en bemærkelsesværdig effekt med små lokale udsving i koncentrationerne af reaktanterne, der fører til fremkomsten af komplekse mønstre af spiraler og koncentriske cirkler.De kemiske processer, der finder sted, er meget komplekse, der involverer så mange som 18 forskellige reaktioner.

Videnskabsinstruktørerne Thomas S. Briggs og Warren C. Rauscsher ved hjælp af ovenstående reaktioner som grundlag skabte en interessant tre-farvet oscillerende kemisk ur i1972. Briggs-Rauscher-reaktionen har en løsning, der med jævne mellemrumÆndringer fra farveløs til lysebrun til mørkeblå.Hvis det er opsat omhyggeligt, kan der være 10-15 cyklusser, før det sætter sig i ligevægt i en mørkeblå farve.

Et usædvanligt kemisk ur, der involverer formforandringer snarere end farve, er kviksølvet, der slår hjerteaktion.En dråbe kviksølv tilsættes til en opløsning af kaliumdichromat i svovlsyre, og en jernspik placeres derefter tæt på kviksølvet.En film af kviksølv I -sulfat dannes på faldet, reducerer overfladespændingen og får den til at sprede sig og røre ved jernneglen.Når dette sker, reducerer elektroner fra neglen kviksølvet i sulfat tilbage til kviksølv, gendanner overfladespændingen og får klatten til at trække sig sammen igen og mister kontakten med neglen.Processen gentages mange gange, hvilket resulterer i en cyklisk formændring.

Kemiske urreaktioner er et område med løbende forskning.Cykliske eller svingende reaktioner er især af stor interesse i studiet af kemisk kinetik og selvorganiserende systemer.Det er blevet spekuleret i, at reaktioner af denne type kan have været involveret i livets oprindelse.