Eine chemische Uhr ist ein Szenario, in dem reagierende chemische Verbindungen ein plötzliches, beobachtbares Ereignis nach einer relativ genau einstellbaren Zeitverzögerung bewirken, indem die Konzentrationen der Reaktanten eingestellt werden. Das Ereignis wird oft durch eine Farbänderung angezeigt, kann aber auch eine andere Form annehmen, wie z. In einigen Fällen ist die Änderung zyklisch und beinhaltet eine Lösung, die periodisch zwischen zwei oder mehr Zuständen wechselt, die normalerweise durch unterschiedliche Farben angezeigt werden.
Eine der einfachsten chemischen Uhren ist als „Joduhr“-Reaktion bekannt. Zwei farblose Lösungen werden gemischt und nach einer Pause färbt sich die resultierende Lösung schlagartig dunkelblau. In der gängigsten Versuchsversion enthält eine Lösung eine verdünnte Mischung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid und die andere eine Mischung aus Kaliumjodid, Stärke und Natriumthiosulfat. Beim Mischen der Lösungen wird elementares Jod aus dem Kaliumjodid freigesetzt, aber eine schnellere Reaktion zwischen dem Jod und dem Natriumthiosulfat wandelt es wieder in farblose Jodidionen um. Wenn das gesamte Thiosulfat aufgebraucht ist, kann das Jod mit der Stärke zu einer dunkelblauen Verbindung reagieren.
Besonders faszinierend sind zyklische oder oszillierende chemische Uhrenreaktionen. Normalerweise läuft eine chemische Reaktion in eine Richtung ab, bis ein Gleichgewichtspunkt erreicht ist. Danach erfolgt keine weitere Änderung ohne das Eingreifen eines anderen Faktors, wie beispielsweise einer Temperaturänderung. Oszillierende Reaktionen waren zunächst rätselhaft, da sie sich dieser Regel zu widersetzen schienen, indem sie sich spontan vom Gleichgewicht entfernten und immer wieder dorthin zurückkehrten. In Wirklichkeit verläuft die Gesamtreaktion zwar in Richtung Gleichgewicht und bleibt dort, aber die Konzentration eines oder mehrerer Reaktionspartner oder Zwischenprodukte variiert dabei zyklisch.
In einer idealisierten oszillierenden chemischen Uhr gibt es eine Reaktion, die ein Produkt erzeugt, und eine andere Reaktion, die dieses Produkt verwendet, wobei die Konzentration des Produkts bestimmt, welche Reaktion stattfindet. Wenn die Konzentration niedrig ist, tritt die erste Reaktion ein, wodurch mehr Produkt gebildet wird. Eine Erhöhung der Konzentration des Produkts löst jedoch die zweite Reaktion aus, wodurch die Konzentration verringert wird und die erste Reaktion stattfindet. Dies führt zu einem Zyklus, bei dem die beiden konkurrierenden Reaktionen die Konzentration eines Produkts bestimmen, die wiederum bestimmt, welche Reaktion stattfindet. Nach einer Reihe von Zyklen erreicht die Mischung ein Gleichgewicht und die Reaktionen werden gestoppt.
Eine der ersten zyklischen chemischen Uhren wurde 1921 von William C. Bray beobachtet. Sie beinhaltete die Reaktion von Wasserstoffperoxid und einem Jodatsalz. Untersuchungen von Bray und seinem Schüler Hermann Liebhafsky zeigten, dass die Reduktion von Jod zu Jod unter Bildung von Sauerstoff und die Oxidation von Jod zurück zu Jodat in periodischen Abständen mit zyklischen Spitzen in der Sauerstoffproduktion und Jodkonzentration abliefen. Dies wurde als Bray-Liebhafsky-Reaktion bekannt.
In den 1950er und 1960er Jahren untersuchten die Biophysiker Boris P. Belousov und später Anatol M. Zhabotinsky eine weitere zyklische Reaktion, bei der ein Cersalz periodisch oxidiert und reduziert wird, was zu oszillierenden Farbänderungen führt. Wenn die Belousov-Zhabotinsky- oder BZ-Reaktion mit einer dünnen Schicht der chemischen Mischung durchgeführt wird, wird ein bemerkenswerter Effekt beobachtet, wobei kleine lokale Schwankungen der Konzentrationen der Reaktanten zur Entstehung komplexer Muster von Spiralen und konzentrischen Kreisen führen. Die dabei stattfindenden chemischen Prozesse sind sehr komplex und umfassen bis zu 18 verschiedene Reaktionen.
Die wissenschaftlichen Dozenten Thomas S. Briggs und Warren C. Rauscsher schufen 1972 auf der Grundlage der obigen Reaktionen eine interessante dreifarbige oszillierende chemische Uhr. Die Briggs-Rauscher-Reaktion weist eine Lösung auf, die periodisch von farblos über hellbraun bis Dunkelblau. Bei sorgfältiger Einrichtung kann es 10-15 Zyklen dauern, bis sich das Gleichgewicht in einer dunkelblauen Farbe einstellt.
Eine ungewöhnliche chemische Uhr, bei der es eher um Form- als um Farbänderungen geht, ist die Reaktion des Herzklopfens mit Quecksilber. Zu einer Lösung von Kaliumdichromat in Schwefelsäure wird ein Tropfen Quecksilber gegeben und dann ein Eisennagel dicht an das Quecksilber gelegt. Auf dem Tropfen bildet sich ein Film aus Quecksilber-I-Sulfat, der die Oberflächenspannung reduziert und dazu führt, dass er sich ausbreitet und den Eisennagel berührt. In diesem Fall reduzieren Elektronen aus dem Nagel das Quecksilber-I-Sulfat wieder zu Quecksilber, stellen die Oberflächenspannung wieder her und bewirken, dass sich der Klecks wieder zusammenzieht und den Kontakt zum Nagel verliert. Der Vorgang wiederholt sich viele Male, was zu einer zyklischen Formänderung führt.
Chemische Uhrenreaktionen sind ein Forschungsgebiet. Insbesondere zyklische oder oszillierende Reaktionen sind von großem Interesse bei der Untersuchung der chemischen Kinetik und selbstorganisierender Systeme. Es wurde spekuliert, dass Reaktionen dieser Art an der Entstehung des Lebens beteiligt gewesen sein könnten.