Un reloj químico es un escenario en el que los compuestos químicos que reaccionan provocan un evento repentino y observable después de un retraso de tiempo que se puede configurar con relativa precisión ajustando las concentraciones de los reactivos. A menudo, el evento se indica mediante un cambio de color, pero puede tomar alguna otra forma, como la producción de gas que causa efervescencia. En algunos casos, el cambio es cíclico e implica una solución que cambia periódicamente entre dos o más estados, generalmente indicados por diferentes colores.
Uno de los relojes químicos más simples se conoce como la reacción del “reloj de yodo”. Se mezclan dos soluciones incoloras y, después de una pausa, la solución resultante se vuelve repentinamente azul oscuro. En la versión más común del experimento, una solución contiene una mezcla diluida de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno, y la otra una mezcla de yoduro de potasio, almidón y tiosulfato de sodio. Al mezclar las soluciones, el yoduro de potasio libera yodo elemental, pero una reacción más rápida entre el yodo y el tiosulfato de sodio lo convierte de nuevo en iones de yoduro incoloros. Cuando se ha agotado todo el tiosulfato, el yodo puede reaccionar con el almidón para producir un compuesto azul oscuro.
Las reacciones de reloj químico cíclicas u oscilantes son particularmente fascinantes. Normalmente, una reacción química procede en una dirección hasta que se alcanza un punto de equilibrio. Después de esto, no se producirán más cambios sin la intervención de algún otro factor, como un cambio de temperatura. Las reacciones oscilantes fueron inicialmente desconcertantes, ya que parecían desafiar esta regla alejándose espontáneamente del equilibrio y regresando allí repetidamente. En realidad, la reacción general avanza hacia el equilibrio y permanece allí, pero en el proceso, la concentración de uno o más reactivos o productos intermedios varía de forma cíclica.
En un reloj químico oscilante idealizado, hay una reacción que crea un producto y otra reacción que usa este producto, y la concentración del producto determina qué reacción tiene lugar. Cuando la concentración es baja, ocurre la primera reacción, produciendo más producto. Sin embargo, un aumento en la concentración del producto desencadena la segunda reacción, reduciendo la concentración y provocando que tenga lugar la primera reacción. Esto da como resultado un ciclo en el que las dos reacciones en competencia determinan la concentración de un producto, que a su vez determina qué reacción tendrá lugar. Después de varios ciclos, la mezcla alcanzará el equilibrio y las reacciones se detendrán.
Uno de los primeros relojes químicos cíclicos fue observado por William C. Bray en 1921. Implicaba la reacción de peróxido de hidrógeno y una sal yodada. La investigación de Bray y su alumno Hermann Liebhafsky mostró que la reducción del yodato a yodo, con la producción de oxígeno, y la oxidación del yodo de vuelta al yodato se producían de forma periódica con picos cíclicos en la producción de oxígeno y la concentración de yodo. Esto llegó a conocerse como la reacción de Bray-Liebhafsky.
En las décadas de 1950 y 1960, los biofísicos Boris P. Belousov y, más tarde, Anatol M. Zhabotinsky, investigaron otra reacción cíclica que involucraba la oxidación y reducción periódicas de una sal de cerio, lo que resultó en cambios de color oscilantes. Si la reacción de Belousov-Zhabotinsky, o BZ, se realiza utilizando una capa delgada de la mezcla química, se observa un efecto notable, con pequeñas fluctuaciones locales en las concentraciones de los reactivos que conducen a la aparición de patrones complejos de espirales y círculos concéntricos. Los procesos químicos que tienen lugar son muy complejos e involucran hasta 18 reacciones distintas.
Los profesores de ciencias Thomas S. Briggs y Warren C. Rauscsher, utilizando las reacciones anteriores como base, crearon un interesante reloj químico oscilante de tres colores en 1972. La reacción de Briggs-Rauscher presenta una solución que cambia periódicamente de incolora a marrón claro para azul oscuro. Si se configura con cuidado, pueden transcurrir de 10 a 15 ciclos antes de que se estabilice en un color azul oscuro.
Un reloj químico inusual que implica cambios de forma en lugar de color es la reacción del corazón que late con mercurio. Se agrega una gota de mercurio a una solución de dicromato de potasio en ácido sulfúrico y luego se coloca un clavo de hierro cerca del mercurio. Se forma una película de sulfato de mercurio I en la gota, lo que reduce la tensión superficial y hace que se extienda y toque el clavo de hierro. Cuando esto sucede, los electrones de la uña reducen el sulfato de mercurio I a mercurio, restaurando la tensión superficial y provocando que la mancha se contraiga nuevamente, perdiendo el contacto con la uña. El proceso se repite muchas veces, lo que resulta en un cambio cíclico de forma.
Las reacciones del reloj químico son un área de investigación en curso. Las reacciones cíclicas u oscilantes en particular son de gran interés en el estudio de la cinética química y los sistemas autoorganizados. Se ha especulado que reacciones de este tipo pueden haber estado involucradas en el origen de la vida.