¿Qué es un reloj químico?

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 está indicado por 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 involucra una solución que cambia periódicamente entre dos o más estados, generalmente indicado 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 abruptamente 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 nuevamente en iones de yoduro incoloros. Cuando todo el tiosulfato se ha agotado, el yodo puede reaccionar con el almidón para producir un compuesto azul oscuro.

Las reacciones químicas cíclicas u oscilantes del reloj químico 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 al alejarse espontáneamente del equilibrio y regresar 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 manera 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, se produce la primera reacción, haciendo más del 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.

William C. Bray observó uno de los primeros relojes químicos cíclicos en 1921. Implicó la reacción del peróxido de hidrógeno y una sal de yodato. La investigación realizada por Bray y su alumno Hermann Liebhafsky mostró que la reducción de yodato a yodo, con producción de oxígeno, y la oxidación de yodo de nuevo a yodato tuvo lugar de manera periódica con picos cíclicos en la producción de oxígeno y la concentración de yodo. Esto se conoció 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 involucra la oxidación periódica y la reducción de una sal de cerio, lo que resulta 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 instructores científicos 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 incoloro a marrón claro a azul oscuro. Si se configura con cuidado, puede haber entre 10 y 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 cardíaca 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 la uña de hierro. Cuando esto sucede, los electrones de la uña reducen el sulfato de mercurio I a mercurio, restaurando la tensión superficial y haciendo que la gota se contraiga nuevamente, perdiendo contacto con la uña. El proceso se repite muchas veces, lo que resulta en un cambio cíclico de forma.

Las reacciones químicas del reloj 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 de autoorganización. Se ha especulado que las reacciones de este tipo pueden haber estado involucradas en el origen de la vida.