Chemische Uhr - Chemical clock
Eine chemische Uhr (oder Uhrenreaktion ) ist eine komplexe Mischung reagierender chemischer Verbindungen, bei der das Einsetzen einer beobachtbaren Eigenschaft (Verfärbung oder Färbung) nach einer vorhersagbaren Induktionszeit aufgrund des Vorhandenseins von Uhrenspezies in einer nachweisbaren Menge auftritt. In Fällen, in denen eines der Reagenzien eine sichtbare Farbe aufweist, kann das Überschreiten einer Konzentrationsschwelle nach einem reproduzierbaren Zeitablauf zu einem abrupten Farbumschlag führen.
Typen
Uhrreaktionen können in drei oder vier Typen eingeteilt werden:
Substrat-verarmende Taktreaktion
Die einfachste Uhrreaktion mit zwei Reaktionen:
- A → C (Rate k 1 )
- B + C → Produkte (Rate k 2 , schnell)
Wenn Substrat (B) vorhanden ist, wird die Uhrspezies (C) in der zweiten Reaktion schnell verbraucht. Nur wenn das Substrat vollständig aufgebraucht oder erschöpft ist, kann sich Spezies C in einer Menge ansammeln, wodurch sich die Farbe ändert. Das Beispiel für diese Uhrenreaktion ist die Sulfit/Iodat-Reaktion, die auch als Landolt-Reaktion bekannt ist
Manchmal beinhaltet die Clock-Reaktion die Produktion von Zwischenspezies in den drei aufeinanderfolgenden Reaktionen.
- P + Q → R
- R + Q → C
- P + C → 2R
Angesichts der Tatsache, dass Q im Überschuss vorliegt, baut sich C auf, wenn das Substrat (P) erschöpft ist, was zu einer Farbänderung führt.
Autokatalyse-getriebene Taktreaktion
Die Basis der Reaktion ähnelt der substratverarmenden Uhrreaktion, außer dass die Geschwindigkeit k 2 sehr langsam ist, was zur Koexistenz von Substraten und Uhrenspezies führt , sodass keine Substratverarmung erforderlich ist, um die Farbwechsel. Das Beispiel für diese Uhr ist die Pentathionat/Jodat-Reaktion.
Pseudoclock-Verhalten
Die Reaktionen dieser Kategorie verhalten sich wie eine Uhrreaktion, sind jedoch nicht reproduzierbar, unvorhersehbar und schwer zu kontrollieren. Beispiele sind Chlorit/Thiosulfat- und Jodid/Chlorit-Reaktionen.
Verrückte Uhrreaktion
Die Reaktion ist in jedem Durchlauf aufgrund der anfänglichen Inhomogenität der Mischung, die sich aus der Variation der Rührgeschwindigkeit, des Gesamtvolumens sowie der Geometrie der Reaktoren ergibt, nicht reproduzierbar. Eine statistisch sinnvolle Wiederholung der Reaktion führt zu der reproduzierbaren kumulativen Wahrscheinlichkeitsverteilungskurve. Das Beispiel für diese Uhr ist die Reaktion von Jodat/Arsensäure.
Eine Reaktion kann in Abhängigkeit von den Umständen in mehr als eine der obigen Klassifikationen fallen. Die Jodat-Arsen-Säure-Reaktion kann beispielsweise eine substratverarmende Uhrreaktion, eine Autokatalyse-getriebene Uhrreaktion und eine verrückte Uhrreaktion sein.
Beispiele
Eine Klasse von Beispielen sind die Joduhrreaktionen , bei denen eine Jodspezies in Gegenwart von Stärke mit Redoxreagenzien gemischt wird. Nach einer Verzögerung erscheint plötzlich eine dunkelblaue Farbe durch die Bildung eines Triiodid-Stärke-Komplexes .
Einigen chemischen Uhren können zusätzliche Reagenzien hinzugefügt werden, um einen chemischen Oszillator aufzubauen . Zum Beispiel wird die Briggs-Rauscher-Reaktion aus einer Jod-Uhr-Reaktion durch Zugabe von Perchlorsäure , Malonsäure und Mangansulfat abgeleitet .