Cos'è un orologio chimico?

Un orologio chimico è uno scenario in cui i composti chimici reagenti portano un evento improvviso e osservabile dopo un ritardo che può essere impostato relativamente precisamente regolando le concentrazioni dei reagenti.Spesso l'evento è indicato da un cambiamento di colore, ma può assumere un'altra forma, come la produzione di gas che causa effervescenza.In alcuni casi, il cambiamento è ciclico e comporta una soluzione che cambia periodicamente tra due o più stati, generalmente indicata da colori diversi.

Uno dei clock chimici più semplici è noto come reazione "orologio di iodio".Due soluzioni incolore vengono miscelate e dopo una pausa, la soluzione risultante diventa bruscamente blu scuro.Nella versione più comune dell'esperimento, una soluzione contiene una miscela diluita di acido solforico e perossido di idrogeno e l'altra una miscela di ioduro di potassio, amido e tiosolfato di sodio.Mescolando le soluzioni, lo iodio elementare viene rilasciato dallo ioduro di potassio, ma una reazione più rapida tra lo iodio e il tiosolfato di sodio lo riporta a ioni di ioduro incolore.Quando tutto il tiosolfato è stato usato, lo iodio è in grado di reagire con l'amido per produrre un composto blu scuro.

Le reazioni di orologio chimico cicliche o oscillanti sono particolarmente affascinanti.Normalmente, una reazione chimica procede in una direzione fino a raggiungere un punto di equilibrio.Successivamente, non avverranno ulteriori modifiche senza l'intervento di qualche altro fattore, come un cambiamento di temperatura.Le reazioni oscillanti erano inizialmente sconcertanti in quanto sembravano sfidare questa regola allontanandosi spontaneamente dall'equilibrio e tornando lì ripetutamente.In realtà, la reazione complessiva procede verso l'equilibrio e rimane lì, ma nel processo, la concentrazione di uno o più reagenti o prodotti intermedi varia in modo ciclico.

In un orologio chimico oscillante idealizzato, c'è una reazione che creaUn prodotto e un'altra reazione che utilizza questo prodotto, con la concentrazione del prodotto che determina quale reazione avviene.Quando la concentrazione è bassa, si verifica la prima reazione, rendendo più del prodotto.Un aumento della concentrazione del prodotto, tuttavia, innesca la seconda reazione, riducendo la concentrazione e spingendo la prima reazione.Ciò si traduce in un ciclo in base al quale le due reazioni concorrenti determinano la concentrazione di un prodotto, che a sua volta determina quale reazione avverrà.Dopo un certo numero di cicli, la miscela raggiungerà l'equilibrio e le reazioni si fermerà. Uno dei primi orologi chimici ciclici è stato osservato da William C. Bray nel 1921. Ha comportato la reazione del perossido di idrogeno e di un sale iodatato.L'indagine di Bray e il suo studente Hermann Liebhafsky hanno mostrato che la riduzione dello iodate a iodio, con la produzione di ossigeno, e l'ossidazione dello iodio allo iodate ha avuto luogo in modo periodico con picchi ciclici nella produzione di ossigeno e nella concentrazione di iodio.Questo divenne noto come la reazione Bray-Liebhafsky. Negli anni '50 e '60, i biofisici Boris P. Beloousov e, in seguito, Anatol M. Zhabotinsky hanno studiato un'altra reazione ciclica che coinvolge l'ossidazione periodica e la riduzione di un sale cerio, risultandoIn cambiamenti di colore oscillanti.Se la reazione Beloousov-Zhabotinsky, o BZ, viene eseguita usando un sottile strato di miscela chimica, si osserva un effetto notevole, con piccole fluttuazioni locali nelle concentrazioni dei reagenti che portano all'emergere di complessi modelli di spirali e cerchi concentrici.I processi chimici che si svolgono sono molto complessi, che coinvolgono ben 18 reazioni distinte. Gli istruttori scientifici Thomas S. Briggs e Warren C. RausCsher, usando le reazioni di cui sopra, hanno creato un interessante orologio chimico oscillante a tre colori dentro1972. La reazione di Briggs-Rauscher presenta una soluzione che periodicamenteCambia da incolore al marrone chiaro al blu scuro.Se impostato attentamente, potrebbero esserci 10-15 cicli prima di stabilirsi in equilibrio in un colore blu scuro.

Un insolito orologio chimico che comporta cambiamenti di forma anziché il colore è la reazione cardiaca che batte il mercurio.Una goccia di mercurio viene aggiunta a una soluzione di dicromato di potassio in acido solforico e un chiodo di ferro viene quindi posizionato vicino al mercurio.Un film di Mercurio I solfato si forma sulla goccia, riducendo la tensione superficiale e facendolo spargere e toccare il chiodo di ferro.Quando ciò accade, gli elettroni dall'unghia riducono il Mercurio I Solfato a Mercurio, ripristinando la tensione superficiale e facendo in modo che il BLOB si contraggerà di nuovo, perdendo il contatto con il chiodo.Il processo si ripete molte volte, con conseguente cambiamento ciclico di forma.

Le reazioni dell'orologio chimico sono un'area di ricerca in corso.Le reazioni cicliche o oscillanti in particolare sono di grande interesse per lo studio della cinetica chimica e dei sistemi auto-organizzanti.È stato ipotizzato che le reazioni di questo tipo potrebbero essere state coinvolte nell'origine della vita.