Qu'est-ce qu'une horloge chimique?

Une horloge chimique est un scénario où la réaction des composés chimiques provoque un événement soudain et observable après un délai qui peut être réglé relativement précisément en ajustant les concentrations des réactifs.Souvent, l'événement est indiqué par un changement de couleur, mais il peut prendre une autre forme, comme la production de gaz provoquant une effervescence.Dans certains cas, le changement est cyclique et implique une solution qui bascule périodiquement entre deux ou plusieurs états, généralement indiquée par différentes couleurs.

L'une des horloges chimiques les plus simples est connue sous le nom de réaction «horloge d'iode».Deux solutions incolores sont mélangées et après une pause, la solution résultante devient brusquement en bleu foncé.Dans la version la plus courante de l'expérience, une solution contient un mélange dilué d'acide sulfurique et de peroxyde d'hydrogène, et l'autre un mélange d'iodure de potassium, d'amidon et de thiosulfate de sodium.En mélangeant les solutions, l'iode élémentaire est libéré de l'iodure de potassium, mais une réaction plus rapide entre l'iode et le thiosulfate de sodium le transforme en ions d'iodure incolore.Lorsque tout le thiosulfate a été utilisé, l'iode est capable de réagir avec l'amidon pour produire un composé bleu foncé.

Les réactions cycliques, ou oscillant, les horloges chimiques sont particulièrement fascinantes.Normalement, une réaction chimique se déroule dans une direction jusqu'à ce qu'un point d'équilibre soit atteint.Après cela, aucun autre changement n'aura lieu sans l'intervention d'un autre facteur, comme un changement de température.Les réactions oscillantes étaient initialement déroutantes car elles semblaient défier cette règle en s'éloignant spontanément de l'équilibre et en y retournant à plusieurs reprises.En réalité, la réaction globale se déroule vers l'équilibre et y reste, mais dans le processus, la concentration d'un ou plusieurs réactifs ou produits intermédiaires varie de manière cyclique.

Dans une horloge chimique oscillante idéalisée, il y a une réaction qui créeUn produit et une autre réaction qui utilise ce produit, la concentration du produit déterminant quelle réaction a lieu.Lorsque la concentration est faible, la première réaction se produit, ce qui fait plus de produit.Une augmentation de la concentration du produit, cependant, déclenche la deuxième réaction, réduisant la concentration et provoquant la première réaction.Il en résulte un cycle par lequel les deux réactions concurrentes déterminent la concentration d'un produit, ce qui détermine à son tour quelle réaction aura lieu.Après un certain nombre de cycles, le mélange atteindra l'équilibre et les réactions s'arrêteront.

L'une des premières horloges chimiques cycliques a été observée par William C. Bray en 1921. Il impliquait la réaction du peroxyde d'hydrogène et d'un sel d'iodate.L'enquête de Bray et de son étudiant Hermann Liebhafsky ont montré que la réduction de l'iodate en iode, avec la production d'oxygène, et l'oxydation de l'iode à l'iodate a eu lieu de manière périodique avec des pics cycliques dans la production d'oxygène et la concentration d'iode.Dans les changements de couleur oscillants.Si le Belousov-Zhabotinsky, ou BZ, la réaction est effectué en utilisant une fine couche du mélange chimique, un effet remarquable est observé, avec de petites fluctuations locales dans les concentrations des réactifs conduisant à l'émergence de modèles complexes de spirales et de cercles concentriques.Les processus chimiques qui se déroulent sont très complexes, impliquant jusqu'à 18 réactions distinctes.

Les instructeurs scientifiques Thomas S. Briggs et Warren C. Rausssher, en utilisant les réactions ci-dessus comme base, ont créé une horloge chimique oscillante à trois couleurs intéressante à1972. La réaction de Briggs-Rauscher présente une solution périodiquementChangements de l'incolorant au brun clair au bleu foncé.S'il est configuré soigneusement, il peut y avoir 10 à 15 cycles avant qu'il ne s'installe en équilibre dans une couleur bleu foncé.

Une horloge chimique inhabituelle qui implique des changements de forme plutôt que de couleur est la réaction cardiaque qui bat sur le mercure.Une goutte de mercure est ajoutée à une solution de dichromate de potassium dans l'acide sulfurique, et un ongle de fer est ensuite placé près du mercure.Un film de sulfate de mercure I se forme sur la goutte, réduisant la tension de surface et la faisant étaler et toucher l'ongle de fer.Lorsque cela se produit, les électrons du clou réduisent le sulfate de mercure I au mercure, restaurant la tension de surface et faisant se contracter à nouveau le blob, perdant le contact avec l'ongle.Le processus se répète plusieurs fois, entraînant un changement cyclique de forme.

Les réactions d'horloge chimique sont un domaine de recherche en cours.Les réactions cycliques ou oscillantes en particulier sont d'un grand intérêt pour l'étude de la cinétique chimique et des systèmes d'auto-organisation.Il a été supposé que des réactions de ce type peuvent avoir été impliquées dans l'origine de la vie.