Kaj je kemična ura?

Kemična ura je scenarij, kjer reagirajoče kemične spojine povzročijo nenaden, opazen dogodek po časovni zakasnitvi, ki jo je mogoče relativno natančno nastaviti s prilagajanjem koncentracij reaktantov. Pogosto je dogodek označen s spremembo barve, lahko pa ima tudi kakšno drugo obliko, na primer nastajanje plina, ki povzroča šumenje. V nekaterih primerih je sprememba ciklična in vključuje rešitev, ki občasno preklaplja med dvema ali več stanji, običajno označenimi z različnimi barvami.

Ena najpreprostejših kemičnih ur je znana kot reakcija “jodna ura”. Dve brezbarvni raztopini zmešamo in po premoru nastala raztopina nenadoma postane temno modra. V najpogostejši različici poskusa ena raztopina vsebuje razredčeno mešanico žveplove kisline in vodikovega peroksida, druga pa mešanico kalijevega jodida, škroba in natrijevega tiosulfata. Pri mešanju raztopin se iz kalijevega jodida sprosti elementarni jod, vendar ga hitrejša reakcija med jodom in natrijevim tiosulfatom pretvori nazaj v brezbarvne jodidne ione. Ko je ves tiosulfat porabljen, lahko jod reagira s škrobom in nastane temno modra spojina.

Ciklične ali oscilirajoče kemične reakcije ure so še posebej fascinantne. Običajno kemijska reakcija poteka v eni smeri, dokler ni dosežena ravnotežna točka. Po tem ne bo prišlo do nadaljnjih sprememb brez posredovanja kakšnega drugega dejavnika, kot je sprememba temperature. Oscilirajoče reakcije so bile sprva zmedene, saj se je zdelo, da kljubujejo temu pravilu s spontanim odmikom od ravnotežja in večkratnim vračanjem tja. V resnici se celotna reakcija nadaljuje proti ravnotežju in tam ostane, toda v procesu se koncentracija enega ali več reaktantov ali vmesnih produktov spreminja ciklično.

V idealizirani nihajoči kemični uri obstaja reakcija, ki ustvari produkt, in druga reakcija, ki uporablja ta produkt, pri čemer koncentracija produkta določa, katera reakcija poteka. Ko je koncentracija nizka, pride do prve reakcije, ki povzroči več produkta. Povečanje koncentracije produkta pa sproži drugo reakcijo, zmanjša koncentracijo in povzroči prvo reakcijo. Posledica tega je cikel, pri katerem dve konkurenčni reakciji določata koncentracijo produkta, ki posledično določa, katera reakcija bo potekala. Po številnih ciklih bo mešanica dosegla ravnotežje in reakcije se bodo ustavile.

Eno prvih cikličnih kemičnih ur je opazil William C. Bray leta 1921. Vključevala je reakcijo vodikovega peroksida in jodatne soli. Raziskava Braya in njegovega študenta Hermanna Liebhafskyja je pokazala, da je redukcija jodata v jod s proizvodnjo kisika in oksidacija joda nazaj v jodat potekala periodično s cikličnimi vrhovi proizvodnje kisika in koncentracije joda. To je postalo znano kot reakcija Bray-Liebhafsky.

V petdesetih in šestdesetih letih prejšnjega stoletja sta biofizika Boris P. Belousov in pozneje Anatol M. Zhabotinsky raziskala drugo ciklično reakcijo, ki je vključevala periodično oksidacijo in redukcijo cerijeve soli, kar je povzročilo nihajne spremembe barve. Če reakcijo Belousov-Zhabotinsky ali BZ izvedemo s tanko plastjo kemične mešanice, je viden izjemen učinek z majhnimi lokalnimi nihanji v koncentracijah reaktantov, ki vodijo do nastanka zapletenih vzorcev spiral in koncentričnih krogov. Kemični procesi, ki potekajo, so zelo zapleteni in vključujejo kar 1950 različnih reakcij.
Znanstvena inštruktorja Thomas S. Briggs in Warren C. Rauscsher sta na podlagi zgornjih reakcij leta 1972 ustvarila zanimivo tribarvno oscilirajočo kemično uro. Briggs-Rauscherjeva reakcija vsebuje raztopino, ki se občasno spreminja iz brezbarvne v svetlo rjavo v temno modra. Če je skrbno nastavljena, lahko traja 10-15 ciklov, preden se postavi v ravnotežje v temno modri barvi.

Nenavadna kemična ura, ki vključuje spremembe oblike in ne barve, je reakcija srca, ki bije živo srebro. Raztopini kalijevega dikromata v žveplovi kislini dodamo kapljico živega srebra in nato blizu živega srebra položimo železov žebelj. Na kapljici se tvori film živosrebrovega I sulfata, ki zmanjša površinsko napetost in povzroči, da se razširi in dotakne železnega žeblja. Ko se to zgodi, elektroni iz nohta zmanjšajo živosrebrov I sulfat nazaj v živo srebro, povrnejo površinsko napetost in povzročijo, da se kapljica ponovno skrči, pri čemer izgubi stik z nohtom. Postopek se večkrat ponovi, kar povzroči ciklično spremembo oblike.
Kemične reakcije ure so področje stalnih raziskav. Predvsem ciklične ali nihajne reakcije so zelo zanimive pri preučevanju kemijske kinetike in samoorganizirajočih se sistemov. Špekuliralo se je, da so bile tovrstne reakcije morda vpletene v nastanek življenja.