Τι είναι ένα χημικό ρολόι;

Ένα χημικό ρολόι είναι ένα σενάριο όπου η αντίδραση χημικών ενώσεων προκαλεί ένα ξαφνικό, παρατηρήσιμο συμβάν μετά από μια χρονική καθυστέρηση που μπορεί να ρυθμιστεί σχετικά με ακρίβεια ρυθμίζοντας τις συγκεντρώσεις των αντιδραστηρίων.Συχνά το γεγονός υποδεικνύεται από μια αλλαγή στο χρώμα, αλλά μπορεί να χρειαστεί κάποια άλλη μορφή, όπως η παραγωγή αερίου που προκαλεί αναβρασμό.Σε ορισμένες περιπτώσεις, η αλλαγή είναι κυκλική και περιλαμβάνει μια λύση που μεταβαίνει περιοδικά μεταξύ δύο ή περισσοτέρων καταστάσεων, που συνήθως υποδεικνύονται από διαφορετικά χρώματα.

Ένα από τα απλούστερα χημικά ρολόγια είναι γνωστή ως αντίδραση "ρολογιού ιωδίου".Δύο άχρωμα διαλύματα είναι μικτά και μετά από μια παύση, η προκύπτουσα λύση μετατρέπεται απότομα το σκούρο μπλε.Στην πιο συνηθισμένη εκδοχή του πειράματος, ένα διάλυμα περιέχει ένα αραιό μίγμα θειικού οξέος και υπεροξειδίου του υδρογόνου και το άλλο μείγμα ιωδιούχου, αμύλου και θειοθειικού νατρίου.Κατά την ανάμειξη των διαλυμάτων, το στοιχειακό ιώδιο απελευθερώνεται από το ιωδιούχο κάλιο, αλλά μια ταχύτερη αντίδραση μεταξύ του ιωδίου και του θειοθειικού νατρίου το μετατρέπει πίσω σε άχρωμα ιόντα ιωδιδίου.Όταν όλο το θειοθειικό έχει εξαντληθεί το ιώδιο είναι σε θέση να αντιδράσει με το άμυλο για να παράγει μια σκούρα μπλε ένωση.

κυκλική ή ταλαντευόμενη, οι αντιδράσεις χημικού ρολογιού είναι ιδιαίτερα συναρπαστικές.Κανονικά, μια χημική αντίδραση προχωρά σε μία κατεύθυνση μέχρι να επιτευχθεί ένα σημείο ισορροπίας.Μετά από αυτό, δεν θα πραγματοποιηθεί περαιτέρω αλλαγή χωρίς την παρέμβαση κάποιου άλλου παράγοντα, όπως η αλλαγή της θερμοκρασίας.Οι ταλαντευόμενες αντιδράσεις αρχικά ήταν αινιγματικές καθώς φαινόταν να αψηφούν αυτόν τον κανόνα, απομακρύνοντας αυθόρμητα την ισορροπία και επιστρέφοντας επανειλημμένα εκεί.Στην πραγματικότητα, η συνολική αντίδραση προχωράει προς την ισορροπία και παραμένει εκεί, αλλά στη διαδικασία, η συγκέντρωση ενός ή περισσοτέρων αντιδραστηρίων ή ενδιάμεσων προϊόντων ποικίλλει με κυκλικό τρόπο.

σε ένα εξιδανικευμένο ταλαντευόμενο χημικό ρολόι, υπάρχει μια αντίδραση που δημιουργείΈνα προϊόν και μια άλλη αντίδραση που χρησιμοποιεί αυτό το προϊόν, με τη συγκέντρωση του προϊόντος να καθορίζει ποια αντίδραση λαμβάνει χώρα.Όταν η συγκέντρωση είναι χαμηλή, συμβαίνει η πρώτη αντίδραση, καθιστώντας περισσότερο το προϊόν.Ωστόσο, η αύξηση της συγκέντρωσης του προϊόντος ενεργοποιεί τη δεύτερη αντίδραση, μειώνοντας τη συγκέντρωση και προτρέποντας την πρώτη αντίδραση.Αυτό έχει ως αποτέλεσμα έναν κύκλο με τον οποίο οι δύο ανταγωνιστικές αντιδράσεις καθορίζουν τη συγκέντρωση ενός προϊόντος, το οποίο με τη σειρά του καθορίζει ποια αντίδραση θα λάβει χώρα.Μετά από έναν αριθμό κύκλων, το μείγμα θα φτάσει στην ισορροπία και οι αντιδράσεις θα σταματήσουν.

Ένα από τα πρώτα κυκλικά χημικά ρολόγια παρατηρήθηκε από τον William C. Bray το 1921. Περιλάμβανε την αντίδραση του υπεροξειδίου του υδρογόνου και ενός αλατιού ιωδίου.Η έρευνα από τον Bray και τον φοιτητή του Hermann Liebhafsky έδειξε ότι η μείωση του ιωδίου στο ιώδιο, με την παραγωγή οξυγόνου και η οξείδωση του ιωδίου πίσω στο ιωδικό έλαβε χώρα με περιοδικό τρόπο με τις κυκλικές κορυφές στην παραγωγή οξυγόνου και τη συγκέντρωση ιωδίου.σε ταλαντευόμενες αλλαγές χρώματος.Εάν η αντίδραση Belousov-Zhabotinsky, ή BZ, πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα λεπτό στρώμα του χημικού μίγματος, παρατηρείται αξιοσημείωτο αποτέλεσμα, με μικρές τοπικές διακυμάνσεις στις συγκεντρώσεις των αντιδραστηρίων που οδηγούν στην εμφάνιση σύνθετων προτύπων των σπείρων και των ομόκεντρων κύκλων.Οι χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα είναι πολύ περίπλοκες, που περιλαμβάνουν έως και 18 διαφορετικές αντιδράσεις. Οι εκπαιδευτές της επιστήμης Thomas S. Briggs και Warren C. Rauscsher, χρησιμοποιώντας τις παραπάνω αντιδράσεις ως βάση, δημιούργησαν ένα ενδιαφέρον χημικό ρολόι τριών χρωμάτων1972. Η αντίδραση Briggs-Rauscher διαθέτει μια λύση που περιοδικά περιοδικάΑλλαγές από άχρωμο έως ανοιχτό καφέ σε σκούρο μπλε.Εάν ρυθμιστεί προσεκτικά, μπορεί να υπάρχουν 10-15 κύκλοι προτού να εγκατασταθεί σε ισορροπία σε ένα σκούρο μπλε χρώμα.

Ένα ασυνήθιστο χημικό ρολόι που περιλαμβάνει αλλαγές σχήματος και όχι χρώμα είναι ο υδράργυρος που χτυπά την καρδιακή αντίδραση.Μια σταγόνα υδραργύρου προστίθεται σε ένα διάλυμα διχρωμικού καλίου σε θειικό οξύ και στη συνέχεια τοποθετείται ένα νύχι σιδήρου κοντά στον υδράργυρο.Μια μεμβράνη του θειικού υδραργύρου Ι σχηματίζεται στην πτώση, μειώνοντας την επιφανειακή τάση και προκαλώντας την εξάπλωση και την άγγιγμα του νυχιού σιδήρου.Όταν συμβεί αυτό, τα ηλεκτρόνια από το νύχι μειώνουν τον υδράργυρο θειικό πίσω στον υδράργυρο, αποκαθιστώντας την επιφανειακή τάση και προκαλώντας ξανά τη σύναψη της συνέντευξης, χάνοντας την επαφή με το νύχι.Η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές, με αποτέλεσμα μια κυκλική αλλαγή σχήματος. Οι αντιδράσεις χημικού ρολογιού είναι μια περιοχή συνεχιζόμενης έρευνας.Οι κυκλικές ή ταλαντευόμενες αντιδράσεις είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον για τη μελέτη της χημικής κινητικής και των αυτο-οργανωτικών συστημάτων.Έχει υποθέσει ότι οι αντιδράσεις αυτού του τύπου μπορεί να έχουν εμπλακεί στην προέλευση της ζωής.