นาฬิกาเคมี
นาฬิกาเคมี (หรือปฏิกิริยานาฬิกา ) คือส่วนผสมที่ซับซ้อนของสารประกอบเคมีที่ทำปฏิกิริยากัน ซึ่งการเริ่มต้นของคุณสมบัติที่สังเกตได้ (การเปลี่ยนสีหรือการเปลี่ยนสี) เกิดขึ้นหลังจากเวลาเหนี่ยวนำที่คาดการณ์ได้เนื่องจากการมีอยู่ของชนิดนาฬิกาในปริมาณที่ตรวจจับได้[ 1 ] ในกรณีที่สารรีเอเจนต์ตัวใดตัวหนึ่งมีสีที่มองเห็นได้ การข้ามเกณฑ์ความเข้มข้นสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสีอย่างฉับพลันหลังจากช่วงเวลาที่สามารถทำซ้ำได้
ประเภท
ปฏิกิริยาของนาฬิกาสามารถจำแนกได้เป็นสามหรือสี่ประเภท: [ 2 ]
ปฏิกิริยานาฬิกาที่ทำให้สารตั้งต้นหมดไป
ปฏิกิริยานาฬิกาที่ง่ายที่สุดซึ่งประกอบด้วยปฏิกิริยาสองอย่าง: [ 2 ]
- A → C (อัตรา k )
- B + C → ผลิตภัณฑ์ (อัตรา k , เร็ว)
เมื่อมีสารตั้งต้น (B) อยู่ สารควบคุมปฏิกิริยา (C) จะถูกใช้ไปอย่างรวดเร็วในปฏิกิริยาที่สอง เฉพาะเมื่อสารตั้งต้น B ถูกใช้หมดไปหรือหมดไปแล้วเท่านั้น สารควบคุมปฏิกิริยา C จึงจะสะสมตัวขึ้น ทำให้สีเปลี่ยนไป ตัวอย่างของปฏิกิริยาควบคุมนี้คือ ปฏิกิริยาซัลไฟต์/ไอโอเดต หรือปฏิกิริยาไอโอดีนควบคุมซึ่งรู้จักกันในชื่อปฏิกิริยาของแลนดอลต์
บางครั้ง ปฏิกิริยาแบบนาฬิกาเกี่ยวข้องกับการสร้างสารตัวกลางในสามปฏิกิริยาต่อเนื่องกัน
- P + Q → R
- R + Q → C
- P + C → 2R
เนื่องจาก Q มีปริมาณมากเกินไป เมื่อสารตั้งต้น (P) ลดลง C จะสะสมมากขึ้น ส่งผลให้สีเปลี่ยนไป
ปฏิกิริยานาฬิกาที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ
พื้นฐานของปฏิกิริยานี้คล้ายกับปฏิกิริยานาฬิกาแบบลดปริมาณสารตั้งต้น ยกเว้นข้อเท็จจริงที่ว่าอัตรา k ช้ามาก ทำให้สารตั้งต้นและชนิดของนาฬิกามีอยู่ร่วมกัน ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องลดปริมาณสารตั้งต้นเพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงสี ตัวอย่างของนาฬิกานี้คือปฏิกิริยาเพนทาไทโอเนต/ไอโอเดต[ 2 ] [ 3 ]
พฤติกรรมนาฬิกาเสมือน
ปฏิกิริยาในหมวดหมู่นี้มีลักษณะคล้ายปฏิกิริยานาฬิกา แต่ไม่สามารถทำซ้ำได้ คาดเดาไม่ได้ และควบคุมได้ยาก ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาคลอไรต์/ไทโอซัลเฟต และไอโอไดด์/คลอไรต์[ 2 ]
ปฏิกิริยาของนาฬิกาที่บ้าคลั่ง
ปฏิกิริยาไม่สามารถทำซ้ำได้ในแต่ละรอบเนื่องจากส่วนผสมเริ่มต้นไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงอัตราการกวน ปริมาตรโดยรวม รวมถึงรูปทรงเรขาคณิตของเครื่องปฏิกรณ์ การทำซ้ำปฏิกิริยาในลักษณะที่มีความหมายทางสถิติจะนำไปสู่เส้นโค้งการกระจายความน่าจะเป็นสะสมที่ทำซ้ำได้ ตัวอย่างของนาฬิกานี้คือปฏิกิริยาไอโอเดต/กรดอาร์เซนิก[ 4 ]
ปฏิกิริยาหนึ่งอาจจัดอยู่ในประเภทมากกว่าหนึ่งประเภทข้างต้นได้ ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ ตัวอย่างเช่นปฏิกิริยาไอโอเดต-กรดอาร์เซนิกอาจเป็นปฏิกิริยาแบบนาฬิกาที่ลดปริมาณสารตั้งต้น ปฏิกิริยาแบบนาฬิกาที่ขับเคลื่อนด้วยการเร่งปฏิกิริยา ด้วยตนเองและปฏิกิริยาแบบนาฬิกาที่ผิดปกติ
ตัวอย่าง
ตัวอย่างหนึ่งคือปฏิกิริยาไอโอดีนคล็อกซึ่งเป็นการผสมไอโอดีนกับ สาร รีดอกซ์ในที่ที่มีแป้งอยู่ หลังจากนั้นระยะหนึ่ง สีน้ำเงินเข้มจะปรากฏขึ้นอย่างฉับพลันเนื่องจากการเกิด สารเชิงซ้อนไตรไอโอได ด์ -แป้ง
ปฏิกิริยานาฬิกาซินนามัลดีไฮด์เป็นปฏิกิริยานาฬิกาอินทรีย์ ซึ่งเติมอะซิโตนลงในสารละลายเบสที่มีทรานส์- ซินนามัลดีไฮด์และอะซิโตนอยู่ จากนั้นจะเกิดตะกอนของไดซินนามัลอะซิโตนขึ้นอย่างฉับพลันหลังจากช่วงเวลาหนึ่ง
สามารถเพิ่มรีเอเจนต์เพิ่มเติมลงในนาฬิกาเคมีบางชนิดเพื่อสร้างออสซิลเลเตอร์เคมีได้ ตัวอย่างเช่นปฏิกิริยา Briggs–Rauscherได้มาจากปฏิกิริยานาฬิกาไอโอดีนโดยการเพิ่มกรดเปอร์คลอริกกรดมาโลนิกและแมงกานีสซัลเฟต[ 5 ]