Hva er en kjemisk klokke?

En kjemisk klokke er et scenario der det å reagere kjemiske forbindelser fører til en plutselig, observerbar hendelse etter en tidsforsinkelse som kan settes relativt presist ved å justere konsentrasjonene til reaktantene.Ofte indikeres hendelsen med en endring i farger, men det kan ha en annen form, for eksempel produksjon av gass som forårsaker brus.I noen tilfeller er endringen syklisk og involverer en løsning som med jevne mellomrom bytter mellom to eller flere tilstander, vanligvis indikert med forskjellige farger.

En av de enkleste kjemiske klokkene er kjent som "jodklokke" -reaksjonen.To fargeløse løsninger er blandet, og etter en pause blir den resulterende løsningen brått mørkeblå.I den vanligste versjonen av eksperimentet inneholder den ene løsningen en fortynnet blanding av svovelsyre og hydrogenperoksyd, og den andre en blanding av kaliumjodid, stivelse og natriumtiosulfat.Ved blanding av løsningene frigjøres elementært jod fra kaliumjodid, men en raskere reaksjon mellom jod og natriumtiosulfat konverterer det tilbake til fargeløse jodidioner.Når alt tiosulfat har blitt brukt opp opp, er i stand til å reagere med stivelsen for å produsere en mørkeblå forbindelse.

syklisk eller svingende, kjemiske klokkeaksjoner er spesielt fascinerende.Normalt fortsetter en kjemisk reaksjon i en retning til et likevektspunkt er nådd.Etter dette vil ingen ytterligere endring finne sted uten inngripen av en annen faktor, for eksempel en temperaturendring.Oscillerende reaksjoner var opprinnelig forvirrende da de så ut til å trosse denne regelen ved spontant å bevege seg bort fra likevekt og komme tilbake dit gjentatte ganger.I virkeligheten fortsetter den samlede reaksjonen mot likevekt og blir der, men i prosessen varierer konsentrasjonen av en eller flere reaktanter eller mellomprodukter på en syklisk måte.

På en idealisert oscillerende kjemisk klokke er det en reaksjon som skaperEt produkt og en annen reaksjon som bruker dette produktet, med konsentrasjonen av produktet som bestemmer hvilken reaksjon som finner sted.Når konsentrasjonen er lav, oppstår den første reaksjonen, noe som gjør mer av produktet.En økning i produktets konsentrasjon utløser imidlertid den andre reaksjonen, reduserer konsentrasjonen og får den første reaksjonen til å finne sted.Dette resulterer i en syklus der de to konkurrerende reaksjonene bestemmer konsentrasjonen av et produkt, som igjen bestemmer hvilken reaksjon som vil finne sted.Etter en rekke sykluser vil blandingen nå likevekten og reaksjonene vil stoppe.

En av de første sykliske kjemiske klokker ble observert av William C. Bray i 1921. Det involverte reaksjonen av hydrogenperoksyd og et jodat salt.Undersøkelse av Bray og hans student Hermann Liebhafsky viste at reduksjonen av jod til jod, med produksjon av oksygen, og oksidasjonen av jod tilbake til jodat fant sted på en periodisk måte med sykliske topper i oksygenproduksjon og jodkonsentrasjon.Dette ble kjent som Bray-Liebhafsky-reaksjonen.

på 1950- og 1960-tallet undersøkte biofysikerne Boris P. Belousov og senere Anatol M. Zhabotinsky undersøkte en annen syklisk reaksjon som involverte den periodiske oksidasjonen og reduksjonen av et keriumsalt, resulterendei svingende fargeendringer.Hvis Belousov-Zhabotinsky, eller BZ, utføres reaksjon ved bruk av et tynt lag av den kjemiske blandingen, sees en bemerkelsesverdig effekt, med små lokale svingninger i konsentrasjonene av reaktantene som fører til fremveksten av komplekse mønstre av spiraler og konsentriske sirkler.De kjemiske prosessene som finner sted er veldig komplekse, og involverer så mange som 18 distinkte reaksjoner.

Vitenskapsinstruktørene Thomas S. Briggs og Warren C. Rauscsher, ved å bruke de ovennevnte reaksjonene som grunnlag, skapte en interessant trefarget oscillerende kjemisk klokke i1972. Briggs-Rauscher-reaksjonen har en løsning som med jevne mellomromEndringer fra fargeløs til lysebrun til mørkeblå.En dråpe kvikksølv tilsettes en løsning av kaliumdikromat i svovelsyre, og en jernspiker blir deretter plassert nær kvikksølvet.En film av kvikksølv I sulfat dannes på dråpen, reduserer overflatespenningen og får den til å spre seg og berøre jernspikeren.Når dette skjer, reduserer elektroner fra neglen kvikksølvet jeg sulfat tilbake til kvikksølv, gjenoppretter overflatespenningen og fikk klosset til å trekke seg sammen igjen, og mister kontakten med neglen.Prosessen gjentas mange ganger, noe som resulterer i en syklisk formforandring.

Kjemiske klokkeaksjoner er et område med pågående forskning.Spesielt sykliske eller oscillerende reaksjoner er av stor interesse for studiet av kjemisk kinetikk og selvorganiserende systemer.Det har blitt spekulert i at reaksjoner av denne typen kan ha vært involvert i livets opprinnelse.