นาฬิกาเคมีคืออะไร?

นาฬิกาเคมีเป็นสถานการณ์ที่สารเคมีที่ทำปฏิกิริยานำมาซึ่งเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้อย่างฉับพลันและสังเกตได้หลังจากการหน่วงเวลาที่สามารถตั้งค่าได้ค่อนข้างแม่นยำโดยการปรับความเข้มข้นของสารตั้งต้นบ่อยครั้งที่เหตุการณ์ถูกระบุด้วยการเปลี่ยนแปลงของสี แต่อาจใช้รูปแบบอื่น ๆ เช่นการผลิตก๊าซที่ทำให้เกิดการไหลเวียนในบางกรณีการเปลี่ยนแปลงนั้นเป็นวัฏจักรและเกี่ยวข้องกับการแก้ปัญหาที่สลับระหว่างสองสถานะขึ้นไปมักจะระบุด้วยสีที่แตกต่างกัน

หนึ่งในนาฬิกาเคมีที่ง่ายที่สุดเรียกว่าปฏิกิริยา "นาฬิกาไอโอดีน"สารละลายที่ไม่มีสีสองแบบผสมกันและหลังจากหยุดชั่วคราวสารละลายที่เกิดขึ้นจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินเข้มทันทีในการทดลองที่พบบ่อยที่สุดสารละลายหนึ่งมีส่วนผสมเจือจางของกรดซัลฟูริกและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และส่วนผสมอื่น ๆ ของโพแทสเซียมไอโอไดด์แป้งและโซเดียมไธโอซัลเฟตในการผสมโซลูชั่นไอโอดีนองค์ประกอบจะถูกปล่อยออกมาจากโพแทสเซียมไอโอไดด์ แต่ปฏิกิริยาที่เร็วขึ้นระหว่างไอโอดีนและโซเดียมไทโอซัลเฟตจะแปลงมันกลับไปเป็นไอออนไอโอไดด์ที่ไม่มีสีเมื่อไธโอซัลเฟตทั้งหมดถูกใช้ไปแล้วไอโอดีนก็สามารถทำปฏิกิริยากับแป้งเพื่อผลิตสารประกอบสีน้ำเงินเข้ม

วงจรหรือการสั่นปฏิกิริยาสัญญาณนาฬิกาเคมีนั้นน่าหลงใหลเป็นพิเศษโดยปกติปฏิกิริยาทางเคมีจะดำเนินไปในทิศทางเดียวจนกว่าจะถึงจุดสมดุลหลังจากนี้จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมจะเกิดขึ้นหากไม่มีการแทรกแซงปัจจัยอื่น ๆ เช่นการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิปฏิกิริยาการสั่นกำลังเริ่มงงในตอนแรกเพราะดูเหมือนว่าพวกเขาจะท้าทายกฎนี้โดยการย้ายออกไปจากความสมดุลและกลับมาที่นั่นซ้ำ ๆในความเป็นจริงปฏิกิริยาโดยรวมจะดำเนินต่อไปสู่ความสมดุลและอยู่ที่นั่น แต่ในกระบวนการความเข้มข้นของสารตั้งต้นหนึ่งตัวหรือมากกว่าหรือผลิตภัณฑ์ระดับกลางจะแตกต่างกันไปในรูปแบบของวัฏจักร

ในนาฬิกาเคมีที่มีการสั่นในอุดมคติมีปฏิกิริยาที่สร้างขึ้นผลิตภัณฑ์และปฏิกิริยาอื่นที่ใช้ผลิตภัณฑ์นี้ด้วยความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ที่กำหนดว่าปฏิกิริยาใดเกิดขึ้นเมื่อความเข้มข้นต่ำปฏิกิริยาแรกเกิดขึ้นทำให้ผลิตภัณฑ์มากขึ้นอย่างไรก็ตามการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ทำให้เกิดปฏิกิริยาที่สองลดความเข้มข้นและกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาแรกที่เกิดขึ้นส่งผลให้เกิดวัฏจักรโดยปฏิกิริยาการแข่งขันทั้งสองจะเป็นตัวกำหนดความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ซึ่งจะกำหนดว่าปฏิกิริยาใดจะเกิดขึ้นหลังจากผ่านไปหลายรอบส่วนผสมจะถึงสมดุลและปฏิกิริยาจะหยุดลง

หนึ่งในนาฬิกาเคมีวงจรแรกถูกสังเกตโดย William C. Bray ในปี 1921 มันเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และเกลือไอโอดีนการสอบสวนโดยเบรย์และนักเรียนของเขา Hermann Liebhafsky แสดงให้เห็นว่าการลดลงของไอโอดีนเป็นไอโอดีนด้วยการผลิตออกซิเจนและการเกิดออกซิเดชันของไอโอดีนกลับไปที่ไอโอดีนเกิดขึ้นในลักษณะเป็นระยะด้วยยอดเขาในการผลิตออกซิเจนและความเข้มข้นของไอโอดีนสิ่งนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อปฏิกิริยาของ Bray-Liebhafsky

ในปี 1950 และ 1960 นักชีวฟิสิกส์ Boris P. Belousov และต่อมา Anatol M. Zhabotinsky ได้ทำการตรวจสอบปฏิกิริยาวัฏจักรอื่นที่เกี่ยวข้องกับการเกิดออกซิเดชันเป็นระยะในการเปลี่ยนแปลงสีที่สั่นหาก Belousov-Zhabotinsky หรือ BZ ปฏิกิริยาจะดำเนินการโดยใช้ชั้นบาง ๆ ของส่วนผสมทางเคมีจะเห็นผลที่น่าทึ่งโดยมีความผันผวนในท้องถิ่นเล็กน้อยในระดับความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่นำไปสู่การเกิดขึ้นของรูปแบบที่ซับซ้อนของเกลียวและวงกลมศูนย์กลางกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นมีความซับซ้อนมากซึ่งเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่แตกต่างกันมากถึง 18 ครั้ง

อาจารย์สอนวิทยาศาสตร์โทมัสเอส. บริกส์และวอร์เรนซีราสเชอร์โดยใช้ปฏิกิริยาข้างต้นเป็นพื้นฐานสร้างนาฬิกาเคมีสั่นสามสีที่น่าสนใจ1972. ปฏิกิริยาของ Briggs-Rauscher มีวิธีแก้ปัญหาที่เป็นระยะ ๆเปลี่ยนจากไม่มีสีเป็นสีน้ำตาลอ่อนเป็นสีน้ำเงินเข้มหากตั้งค่าอย่างระมัดระวังอาจมี 10-15 รอบก่อนที่มันจะเข้าสู่ดุลยภาพในสีฟ้าเข้ม

นาฬิกาเคมีที่ผิดปกติที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของรูปร่างมากกว่าสีคือปฏิกิริยาการเต้นของหัวใจปรอทหยดปรอทจะถูกเพิ่มเข้าไปในสารละลายของโพแทสเซียมไดโครเมตในกรดซัลฟูริกและจากนั้นเล็บเหล็กจะถูกวางไว้ใกล้กับปรอทฟิล์มของ Mercury I Sulfate ก่อตัวขึ้นลดลงลดแรงตึงผิวและทำให้มันแพร่กระจายและสัมผัสกับเล็บเหล็กเมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นอิเล็กตรอนจากเล็บจะช่วยลด Mercury I Sulfate กลับสู่ปรอทฟื้นฟูแรงตึงผิวและทำให้หยดได้ทำสัญญาอีกครั้งสูญเสียการสัมผัสกับเล็บกระบวนการทำซ้ำหลายครั้งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปแบบของรูปร่าง

ปฏิกิริยานาฬิกาเคมีเป็นพื้นที่ของการวิจัยอย่างต่อเนื่องโดยเฉพาะอย่างยิ่งปฏิกิริยาแบบวงกลมหรือการสั่นมีความสนใจอย่างมากในการศึกษาจลนพลศาสตร์เคมีและระบบการจัดระเบียบตนเองมีการคาดการณ์ว่าปฏิกิริยาของประเภทนี้อาจมีส่วนร่วมในที่มาของชีวิต