Une horloge chimique est un scénario dans lequel la réaction de composés chimiques provoque un événement soudain et observable après un délai qui peut être réglé de manière relativement précise en ajustant les concentrations des réactifs. Souvent, l’événement est indiqué par un changement de couleur, mais il peut prendre une autre forme, telle que la production de gaz provoquant une effervescence. Dans certains cas, le changement est cyclique et implique une solution qui bascule périodiquement entre deux ou plusieurs états, généralement indiqués par des couleurs différentes.
L’une des horloges chimiques les plus simples est connue sous le nom de réaction horloge à l’iode. Deux solutions incolores sont mélangées et après une pause, la solution résultante devient brusquement bleu foncé. Dans la version la plus courante de l’expérience, une solution contient un mélange dilué d’acide sulfurique et de peroxyde d’hydrogène, et l’autre un mélange d’iodure de potassium, d’amidon et de thiosulfate de sodium. Lors du mélange des solutions, l’iode élémentaire est libéré de l’iodure de potassium, mais une réaction plus rapide entre l’iode et le thiosulfate de sodium le reconvertit en ions iodure incolores. Lorsque tout le thiosulfate a été utilisé, l’iode est capable de réagir avec l’amidon pour produire un composé bleu foncé.
Les réactions d’horloge chimique cycliques ou oscillantes sont particulièrement fascinantes. Normalement, une réaction chimique se déroule dans une direction jusqu’à ce qu’un point d’équilibre soit atteint. Après cela, aucun autre changement n’aura lieu sans l’intervention d’un autre facteur, tel qu’un changement de température. Les réactions oscillantes étaient d’abord déroutantes car elles semblaient défier cette règle en s’éloignant spontanément de l’équilibre et en y retournant à plusieurs reprises. En réalité, la réaction globale se dirige vers l’équilibre et y reste, mais dans le processus, la concentration d’un ou plusieurs réactifs ou produits intermédiaires varie de manière cyclique.
Dans une horloge chimique oscillante idéalisée, il y a une réaction qui crée un produit et une autre réaction qui utilise ce produit, la concentration du produit déterminant quelle réaction a lieu. Lorsque la concentration est faible, la première réaction se produit, faisant plus de produit. Cependant, une augmentation de la concentration du produit déclenche la deuxième réaction, réduisant la concentration et provoquant la première réaction. Il en résulte un cycle dans lequel les deux réactions concurrentes déterminent la concentration d’un produit, qui à son tour détermine quelle réaction aura lieu. Après un certain nombre de cycles, le mélange atteint l’équilibre et les réactions s’arrêtent.
L’une des premières horloges chimiques cycliques a été observée par William C. Bray en 1921. Elle impliquait la réaction du peroxyde d’hydrogène et d’un sel iodate. Les recherches de Bray et de son étudiant Hermann Liebhafsky ont montré que la réduction de l’iodate en iode, avec production d’oxygène, et l’oxydation de l’iode en iodate se produisaient de manière périodique avec des pics cycliques de production d’oxygène et de concentration en iode. C’est ce qu’on a appelé la réaction de Bray-Liebhafsky.
Dans les années 1950 et 1960, les biophysiciens Boris P. Belousov et, plus tard, Anatol M. Zhabotinsky ont étudié une autre réaction cyclique impliquant l’oxydation et la réduction périodiques d’un sel de cérium, entraînant des changements de couleur oscillants. Si la réaction de Belousov-Zhabotinsky, ou BZ, est effectuée en utilisant une couche mince du mélange chimique, un effet remarquable est observé, avec de petites fluctuations locales des concentrations des réactifs conduisant à l’émergence de motifs complexes de spirales et de cercles concentriques. Les processus chimiques qui se déroulent sont très complexes, impliquant jusqu’à 18 réactions distinctes.
Les professeurs de sciences Thomas S. Briggs et Warren C. Rauscsher, utilisant les réactions ci-dessus comme base, ont créé une intéressante horloge chimique oscillante à trois couleurs en 1972. La réaction de Briggs-Rauscher présente une solution qui passe périodiquement de l’incolore au brun clair à bleu foncé. S’il est configuré avec soin, il peut y avoir 10 à 15 cycles avant qu’il ne s’équilibre dans une couleur bleu foncé.
Une horloge chimique inhabituelle qui implique des changements de forme plutôt que de couleur est la réaction cardiaque au mercure. Une goutte de mercure est ajoutée à une solution de bichromate de potassium dans l’acide sulfurique, et un clou de fer est alors placé près du mercure. Un film de sulfate de mercure I se forme sur la goutte, réduisant la tension superficielle et la faisant s’étaler et toucher le clou de fer. Lorsque cela se produit, les électrons de l’ongle réduisent le sulfate de mercure I en mercure, rétablissant la tension superficielle et provoquant une nouvelle contraction de la goutte, perdant ainsi le contact avec l’ongle. Le processus se répète plusieurs fois, entraînant un changement de forme cyclique.
Les réactions d’horloge chimique sont un domaine de recherche en cours. Les réactions cycliques ou oscillantes en particulier sont d’un grand intérêt dans l’étude de la cinétique chimique et des systèmes auto-organisés. Il a été supposé que des réactions de ce type pourraient avoir été impliquées dans l’origine de la vie.