Un orologio chimico è uno scenario in cui i composti chimici che reagiscono provocano un evento improvviso e osservabile dopo un ritardo che può essere impostato in modo relativamente preciso regolando le concentrazioni dei reagenti. Spesso l’evento è indicato da un cambiamento di colore, ma può assumere qualche altra forma, come la produzione di gas che causa effervescenza. In alcuni casi il cambiamento è ciclico e comporta una soluzione che alterna periodicamente due o più stati, solitamente indicati da colori diversi.
Uno degli orologi chimici più semplici è noto come reazione “orologio allo iodio”. Due soluzioni incolori vengono miscelate e, dopo una pausa, la soluzione risultante diventa improvvisamente blu scuro. Nella versione più comune dell’esperimento, una soluzione contiene una miscela diluita di acido solforico e perossido di idrogeno e l’altra una miscela di ioduro di potassio, amido e tiosolfato di sodio. Mescolando le soluzioni, lo iodio elementare viene rilasciato dallo ioduro di potassio, ma una reazione più rapida tra lo iodio e il tiosolfato di sodio lo riconverte in ioni ioduro incolori. Quando tutto il tiosolfato è stato esaurito, lo iodio è in grado di reagire con l’amido per produrre un composto blu scuro.
Le reazioni chimiche dell’orologio cicliche o oscillanti sono particolarmente affascinanti. Normalmente, una reazione chimica procede in una direzione fino a raggiungere un punto di equilibrio. Dopo questo, nessun ulteriore cambiamento avrà luogo senza l’intervento di qualche altro fattore, come un cambiamento di temperatura. Le reazioni oscillanti erano inizialmente sconcertanti poiché sembravano sfidare questa regola allontanandosi spontaneamente dall’equilibrio e ritornandovi ripetutamente. In realtà, la reazione complessiva procede verso l’equilibrio e vi rimane, ma nel processo la concentrazione di uno o più reagenti o prodotti intermedi varia in modo ciclico.
In un orologio chimico oscillante idealizzato, c’è una reazione che crea un prodotto e un’altra reazione che utilizza questo prodotto, con la concentrazione del prodotto che determina quale reazione ha luogo. Quando la concentrazione è bassa, si verifica la prima reazione, producendo più prodotto. Un aumento della concentrazione del prodotto, invece, innesca la seconda reazione, riducendo la concentrazione e provocando la prima reazione. Ciò si traduce in un ciclo in cui le due reazioni concorrenti determinano la concentrazione di un prodotto, che a sua volta determina quale reazione avrà luogo. Dopo un certo numero di cicli, la miscela raggiungerà l’equilibrio e le reazioni si fermeranno.
Uno dei primi orologi chimici ciclici fu osservato da William C. Bray nel 1921. Coinvolgeva la reazione del perossido di idrogeno e un sale iodato. L’indagine di Bray e del suo allievo Hermann Liebhafsky ha mostrato che la riduzione dello iodato a iodio, con produzione di ossigeno, e l’ossidazione dello iodio di nuovo a iodato avveniva in modo periodico con picchi ciclici nella produzione di ossigeno e nella concentrazione di iodio. Questa divenne nota come la reazione di Bray-Liebhafsky.
Negli anni ‘1950 e ‘1960, i biofisici Boris P. Belousov e, in seguito, Anatol M. Zhabotinsky, hanno studiato un’altra reazione ciclica che coinvolge l’ossidazione e la riduzione periodiche di un sale di cerio, con conseguente variazione di colore. Se la reazione di Belousov-Zhabotinsky, o BZ, viene eseguita utilizzando un sottile strato della miscela chimica, si osserva un effetto notevole, con piccole fluttuazioni locali nelle concentrazioni dei reagenti che portano all’emergere di schemi complessi di spirali e cerchi concentrici. I processi chimici in atto sono molto complessi, coinvolgendo ben 18 reazioni distinte.
Gli istruttori di scienze Thomas S. Briggs e Warren C. Rauscsher, utilizzando come base le reazioni di cui sopra, hanno creato un interessante orologio chimico oscillante a tre colori nel 1972. La reazione di Briggs-Rauscher presenta una soluzione che cambia periodicamente da incolore a marrone chiaro a blu scuro. Se impostato con cura, potrebbero esserci 10-15 cicli prima che si stabilizzi in equilibrio in un colore blu scuro.
Un insolito orologio chimico che comporta cambiamenti di forma piuttosto che di colore è la reazione del cuore pulsante del mercurio. Si aggiunge una goccia di mercurio ad una soluzione di dicromato di potassio in acido solforico e si mette poi un chiodo di ferro vicino al mercurio. Sulla goccia si forma una pellicola di solfato di mercurio I, che riduce la tensione superficiale e la fa distendere fino a toccare il chiodo di ferro. Quando ciò accade, gli elettroni dell’unghia riducono il solfato di mercurio I a mercurio, ripristinando la tensione superficiale e facendo contrarre nuovamente la macchia, perdendo il contatto con l’unghia. Il processo si ripete molte volte, determinando un cambiamento ciclico di forma.
Le reazioni chimiche dell’orologio sono un’area di ricerca in corso. In particolare, le reazioni cicliche o oscillanti sono di grande interesse nello studio della cinetica chimica e dei sistemi auto-organizzanti. È stato ipotizzato che reazioni di questo tipo possano essere state coinvolte nell’origine della vita.