Hva er en kjemisk klokke?

January 15  by Eliza

En kjemisk klokke er et scenario der reagerende kjemiske forbindelser føre til en plutselig, observerbar hendelse etter en tidsforsinkelse som kan innstilles forholdsvis nøyaktig ved å justere konsentrasjonen av reaktantene. Ofte tilfelle indikeres ved en endring i farge, men det kan ta andre former, som for eksempel produksjon av gass som forårsaker brusing. I noen tilfeller, er endringen syklisk og innebærer en løsning som periodisk skifter mellom to eller flere stater, vanligvis angitt med ulike farger.

En av de enkleste kjemiske klokker er kjent som "jod klokke" reaksjon. To fargeløse oppløsninger blandes, og etter en pause, brått blir mørk blå den resulterende løsning. I den mest vanlige versjon av eksperimentet, inneholder en løsning av en fortynnet blanding av svovelsyre og hydrogenperoksyd, og den andre en blanding av kaliumjodid, stivelse og natriumtiosulfat. Ved blanding av oppløsningene, er elementært jod frigjort fra kaliumjodid, men en raskere reaksjon mellom jod og natriumtiosulfat omformer den tilbake til fargeløse jodidioner. Når all tiosulfat har blitt brukt opp jod er i stand til å reagere med stivelsen for å gi en mørk blå forbindelse.

Syklisk eller oscillerende, kjemisk klokke reaksjoner er spesielt fascinerende. Normalt foregår en kjemisk reaksjon i en retning inntil et likevektspunkt er nådd. Etter dette, vil ingen ytterligere endring finne sted uten innblanding av en annen faktor, som for eksempel en endring i temperatur. Oscillerende reaksjoner ble opprinnelig rart som de syntes å trosse denne regelen ved spontant beveger seg bort fra likevekt og retur det gjentatte ganger. I virkeligheten gjør totalreaksjonen fortsette mot likevekt, og forblir der, men i prosessen, konsentrasjonen av en eller flere reaktanter eller mellomprodukter varierer på en syklisk måte.

I et idealisert oscillerende kjemisk klokke, er det en reaksjon som skaper et produkt og en annen reaksjon som benytter dette produkt, med konsentrasjonen av produktet bestemme hvilken reaksjonen finner sted. Når konsentrasjonen er lav, skjer den første reaksjon, slik at mer av produktet. En økning i produktets konsentrasjon, men utløser den andre reaksjon, reduksjon av konsentrasjonen og ber den første reaksjonen skal finne sted. Dette resulterer i en syklus, hvorved de to konkurrerende reaksjoner bestemme konsentrasjonen av et produkt, som på sin side bestemmer hvilken reaksjonen skal finne sted. Etter et antall sykluser, vil blandingen nå likevekt og reaksjonene vil stoppe.

En av de første cykliske kjemiske klokker ble observert av William C. Bray i 1921. Den involverte reaksjon mellom hydrogenperoksyd og jodat et salt. Gransking av Bray og hans elev Hermann Liebhafsky viste at reduksjonen av jodat til jod, med produksjon av oksygen, og oksydasjon av jod tilbake til jodat fant sted i en periodisk måte med sykliske topper i oksygenproduksjonen og jodkonsentrasjon. Dette kom til å bli kjent som Bray-Liebhafsky reaksjon.

På 1950- og 1960-tallet, de Biophysicists Boris P. Belousov, og senere Anatol M. Zhabotinsky undersøkt en annen syklisk reaksjon som involverer den periodiske oksidasjon og reduksjon av en cerium salt, noe som resulterer i oscillerende fargeendringer. Dersom Belousov-Zhabotinsky eller BZ, reaksjonen blir utført ved hjelp av et tynt lag av den kjemiske blanding, er en bemerkelsesverdig effekt ses med små lokale variasjoner i konsentrasjonene av reaktantene som fører til fremveksten av komplekse mønstre av spiraler og konsentriske sirkler. De kjemiske prosesser som finner sted er meget kompliserte, så mange som 18 forskjellige reaksjoner.

Vitenskapen instruktører Thomas S. Briggs og Warren C. Rauscsher, ved hjelp av de ovennevnte reaksjonene som grunnlag, skapte en interessant tre farger oscillerende kjemisk klokke i 1972. Briggs-Rauscher reaksjon har en løsning som periodisk skifter fra fargeløs til lys brun til mørkeblå. Hvis satt opp nøye, kan det være 10-15 sykluser før det legger seg likevekt i en mørk blå farge.

En uvanlig kjemisk klokke som innebærer endringer av form snarere enn farge er kvikksølv bankende hjerte reaksjon. En dråpe kvikksølv tilsettes til en oppløsning av kaliumdikromat i svovelsyre, og en jernspikeren blir deretter plassert i nærheten av kvikksølv. En film av kvikksølv jeg sulfat skjemaer på drop, reduserer overflatespenningen og forårsaker den til å spre seg ut og røre jern spiker. Når dette skjer, elektroner fra spiker redusere kvikksølv jeg sulfat tilbake til kvikksølv, gjenopprette overflatespenningen og forårsaker blob til kontrakt igjen, miste kontakten med spiker. Prosessen gjentas mange ganger, noe som resulterer i en syklisk forandring av form.

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