Kas ir ķīmiskais pulkstenis?

Ķīmiskais pulkstenis ir scenārijs, kurā reaģējoši ķīmiskie savienojumi izraisa pēkšņu, novērojamu notikumu pēc laika aizkaves, ko var iestatīt salīdzinoši precīzi, pielāgojot reaģentu koncentrāciju. Bieži vien par notikumu liecina krāsas maiņa, bet tā var izpausties arī citā formā, piemēram, gāzes veidošanās, kas izraisa putošanos. Dažos gadījumos izmaiņas ir cikliskas un ietver risinājumu, kas periodiski pārslēdzas starp diviem vai vairākiem stāvokļiem, ko parasti norāda ar dažādām krāsām.

Viens no vienkāršākajiem ķīmiskajiem pulksteņiem ir pazīstams kā “joda pulksteņa” reakcija. Sajauc divus bezkrāsainus šķīdumus, un pēc pauzes iegūtais šķīdums pēkšņi kļūst tumši zils. Visizplatītākajā eksperimenta versijā viens šķīdums satur atšķaidītu sērskābes un ūdeņraža peroksīda maisījumu, bet otrs – kālija jodīda, cietes un nātrija tiosulfāta maisījumu. Sajaucot šķīdumus, no kālija jodīda izdalās elementārais jods, bet ātrāka reakcija starp jodu un nātrija tiosulfātu pārvērš to atpakaļ par bezkrāsainiem jodīda joniem. Kad viss tiosulfāts ir izlietots, jods spēj reaģēt ar cieti, veidojot tumši zilu savienojumu.

Īpaši aizraujošas ir cikliskas jeb svārstīgas ķīmiskās pulksteņa reakcijas. Parasti ķīmiskā reakcija notiek vienā virzienā, līdz tiek sasniegts līdzsvara punkts. Pēc tam nekādas izmaiņas nenotiks bez kāda cita faktora, piemēram, temperatūras maiņas, iejaukšanās. Svārstīgās reakcijas sākotnēji bija mulsinošas, jo šķita, ka tās pārkāpa šo noteikumu, spontāni virzoties prom no līdzsvara un tur vairākkārt atgriežoties. Patiesībā kopējā reakcija virzās uz līdzsvaru un paliek tur, bet procesā viena vai vairāku reaģentu vai starpproduktu koncentrācija mainās cikliski.

Idealizētā svārstīgā ķīmiskajā pulkstenī notiek reakcija, kas rada produktu, un cita reakcija, kas izmanto šo produktu, un produkta koncentrācija nosaka, kura reakcija notiek. Kad koncentrācija ir zema, notiek pirmā reakcija, veidojot vairāk produkta. Tomēr produkta koncentrācijas palielināšanās izraisa otro reakciju, samazinot koncentrāciju un liekot notikt pirmajai reakcijai. Tā rezultātā veidojas cikls, kurā abas konkurējošās reakcijas nosaka produkta koncentrāciju, kas savukārt nosaka, kura reakcija notiks. Pēc vairākiem cikliem maisījums sasniegs līdzsvaru un reakcijas apstāsies.

Vienu no pirmajiem cikliskajiem ķīmiskajiem pulksteņiem 1921. gadā novēroja Viljams K. Brejs. Tas ietvēra ūdeņraža peroksīda un jodāta sāls reakciju. Breja un viņa skolnieka Hermaņa Lībhafska veiktais pētījums parādīja, ka jodāta reducēšana par jodu, veidojot skābekli, un joda oksidēšana atpakaļ par jodātu notika periodiski ar cikliskiem skābekļa ražošanas un joda koncentrācijas maksimumiem. To sāka saukt par Breja-Lībhafska reakciju.

1950. un 1960. gados biofiziķi Boriss P. Belousovs un vēlāk Anatols M. Žabotinskis pētīja citu ciklisku reakciju, kas saistīta ar periodisku cērija sāls oksidāciju un reducēšanu, kā rezultātā mainījās svārstīga krāsa. Ja Belousova-Žabotinska jeb BZ reakcija tiek veikta, izmantojot plānu ķīmiskā maisījuma kārtu, ir redzams ievērojams efekts ar nelielām lokālām reaģentu koncentrācijas svārstībām, kas izraisa sarežģītu spirāļu un koncentrisku apļu rašanos. Notiekošie ķīmiskie procesi ir ļoti sarežģīti, ietverot pat 18 dažādas reakcijas.
Zinātņu instruktori Tomass S. Brigss un Vorens K. Raušers, par pamatu izmantojot iepriekš minētās reakcijas, 1972. gadā izveidoja interesantu trīskrāsu svārstīgo ķīmisko pulksteni. Brigsa-Raušera reakcijai ir šķīdums, kas periodiski mainās no bezkrāsaina uz gaiši brūnu tumši zils. Ja tas ir rūpīgi iestatīts, var paiet 10–15 cikli, pirms tas nonāk līdzsvarā tumši zilā krāsā.

Neparasts ķīmiskais pulkstenis, kas saistīts ar formas, nevis krāsas maiņu, ir dzīvsudraba sitiena sirds reakcija. Kālija dihromāta šķīdumam sērskābē pievieno dzīvsudraba pilienu, un pēc tam dzīvsudrabam tuvu pieliek dzelzs naglu. Uz piliena veidojas dzīvsudraba I sulfāta plēve, kas samazina virsmas spraigumu un liek tai izkliedēties un pieskarties dzelzs naglai. Ja tas notiek, elektroni no naga samazina dzīvsudraba I sulfātu atpakaļ līdz dzīvsudrabam, atjaunojot virsmas spraigumu un liekot lāsumam atkal sarauties, zaudējot kontaktu ar nagu. Process atkārtojas daudzas reizes, kā rezultātā notiek cikliskas formas izmaiņas.
Ķīmiskā pulksteņa reakcijas ir nepārtrauktas pētniecības joma. Ķīmiskās kinētikas un pašorganizējošu sistēmu izpētē īpaši liela interese ir par cikliskām vai svārstībām. Ir izteikti pieņēmumi, ka šāda veida reakcijas varētu būt saistītas ar dzīvības izcelsmi.