Vad är en kemisk klocka?
En kemisk klocka är ett scenario där reagerande kemiska föreningar medför en plötslig, observerbar händelse efter en tidsfördröjning som kan ställas in relativt exakt genom att justera koncentrationerna av reaktanterna.Ofta indikeras händelsen av en färgförändring, men det kan ta någon annan form, till exempel produktion av gas som orsakar brus.I vissa fall är förändringen cyklisk och involverar en lösning som regelbundet växlar mellan två eller flera tillstånd, vanligtvis indikerade av olika färger.
En av de enklaste kemiska klockorna kallas ”jodklockan” -reaktionen.Två färglösa lösningar blandas och efter en paus blir den resulterande lösningen plötsligt mörkblå.I den vanligaste versionen av experimentet innehåller en lösning en utspädd blandning av svavelsyra och väteperoxid, och den andra en blandning av kaliumjodid, stärkelse och natriumtiosulfat.Vid blandning av lösningarna frisätts elementära jod från kaliumjodiden, men en snabbare reaktion mellan jod och natriumtiosulfat omvandlar den tillbaka till färglösa jodjoner.När all tiosulfat har använts kan joden reagera med stärkelsen för att producera en mörkblå förening.
Usikt, kemiska klockreaktionerNormalt fortsätter en kemisk reaktion i en riktning tills en jämviktspunkt har uppnåtts.Efter detta kommer ingen ytterligare förändring att äga rum utan ingripande av någon annan faktor, till exempel en temperaturförändring.Oscillerande reaktioner var initialt förbryllande eftersom de tycktes trotsa denna regel genom att spontant flytta bort från jämvikt och återvända dit upprepade gånger.I verkligheten fortsätter den övergripande reaktionen mot jämvikt och stannar där, men i processen varierar koncentrationen av en eller flera reaktanter eller mellanprodukter på ett cykliskt sätt. På en idealiserad oscillerande kemisk klocka finns det en reaktion som skapar skaparEn produkt och en annan reaktion som använder denna produkt, med koncentrationen av produkten som bestämmer vilken reaktion som äger rum.När koncentrationen är låg inträffar den första reaktionen, vilket gör mer av produkten.En ökning av produktens koncentration utlöser emellertid den andra reaktionen och minskar koncentrationen och uppmanar den första reaktionen som äger rum.Detta resulterar i en cykel där de två konkurrerande reaktionerna bestämmer koncentrationen av en produkt, vilket i sin tur bestämmer vilken reaktion som kommer att äga rum.Efter ett antal cykler kommer blandningen att nå jämvikt och reaktionerna kommer att stoppa. En av de första cykliska kemiska klockorna observerades av William C. Bray 1921. Det involverade reaktionen av väteperoxid och ett jodatalt.Undersökning av Bray och hans student Hermann Liebhafsky visade att reduktionen av jodat till jod, med produktion av syre och oxidationen av jod tillbaka till jodat ägde rum på ett periodiskt sätt med cykliska toppar i syreproduktion och jodkoncentration.Detta blev känt som Bray-Liebhafsky-reaktionen. På 1950- och 1960-talet undersökte biofysiker Boris P. Belousov och senare Anatol M. Zhabotinsky en annan cyklisk reaktion som involverade den periodiska oxidationen och reduktionen av ett ceriumsalt, resulterandei oscillerande färgförändringar.Om Belousov-Zhabotinsky, eller BZ, utförs reaktionen med användning av ett tunt skikt av den kemiska blandningen, ses en anmärkningsvärd effekt, med små lokala fluktuationer i koncentrationerna av reaktanter som leder till uppkomsten av komplexa mönster av spiral och koncentriska cirklar.De kemiska processerna som äger rum är mycket komplexa och involverar så många som 18 distinkta reaktioner. Vetenskapsinstruktörerna Thomas S. Briggs och Warren C. Rauscsher, med hjälp av ovanstående reaktioner som bas, skapade en intressant trelegångsvängande kemisk klocka i1972. Briggs-Rauscher-reaktionen har en lösning som regelbundetÄndringar från färglöst till ljusbrun till mörkblå.Om det ställs in noggrant kan det finnas 10-15 cykler innan den sätter sig i jämvikt i en mörkblå färg.
en ovanlig kemisk klocka som involverar formförändringar snarare än färg är kvicksilver som slår hjärtreaktionen.En droppe kvicksilver läggs till en lösning av kaliumdikromat i svavelsyra, och en järnspik placeras sedan nära kvicksilver.En film av kvicksilver I -sulfatformer på droppen, minskar ytspänningen och får den att sprida sig och röra vid järnspiken.När detta händer minskar elektronerna från nageln kvicksilver I -sulfatet tillbaka till kvicksilver, återställer ytspänningen och får klumpen att sammandras igen, förlora kontakten med nageln.Processen upprepar många gånger, vilket resulterar i en cyklisk formförändring.
Kemiska klockreaktioner är ett område med pågående forskning.Cykliska eller oscillerande reaktioner är i synnerhet av stort intresse för att studera kemisk kinetik och självorganiserande system.Det har spekulerats att reaktioner av denna typ kan ha varit involverade i livets ursprung.