En química , un oscilador químico es una mezcla compleja de compuestos químicos reactivos en la que la concentración de uno o más componentes presenta cambios periódicos . Son una clase de reacciones que sirven como ejemplo de termodinámica de no equilibrio con un comportamiento alejado del equilibrio. Las reacciones son teóricamente importantes porque muestran que las reacciones químicas no tienen por qué estar dominadas por el comportamiento termodinámico de equilibrio .
En los casos en que uno de los reactivos tiene un color visible, se pueden observar cambios periódicos de color. Ejemplos de reacciones oscilantes son la reacción de Belousov-Zhabotinsky (reacción BZ), la reacción de Briggs-Rauscher y la reacción de Bray-Liebhafsky .
Las primeras pruebas científicas de que tales reacciones pueden oscilar se recibieron con un escepticismo extremo. En 1828, GT Fechner publicó un informe sobre las oscilaciones en un sistema químico. Describió una celda electroquímica que producía una corriente oscilante. En 1899, W. Ostwald observó que la velocidad de disolución del cromo en ácido aumentaba y disminuía periódicamente. Ambos sistemas eran heterogéneos y se creía entonces, y durante gran parte del siglo pasado, que los sistemas oscilantes homogéneos eran inexistentes. Si bien los debates teóricos se remontan a alrededor de 1910, el estudio sistemático de las reacciones químicas oscilantes y del campo más amplio de la dinámica química no lineal no se estableció bien hasta mediados de la década de 1970. [1]
Los sistemas químicos no pueden oscilar alrededor de una posición de equilibrio final porque tal oscilación violaría la segunda ley de la termodinámica . Para un sistema termodinámico que no está en equilibrio, esta ley requiere que el sistema se acerque al equilibrio y no se aleje de él. Para un sistema cerrado a temperatura y presión constantes, el requisito termodinámico es que la energía libre de Gibbs debe disminuir continuamente y no oscilar. Sin embargo, es posible que las concentraciones de algunos intermediarios de reacción oscilen, y también que la velocidad de formación de productos oscile. [2]
Los modelos teóricos de reacciones oscilantes han sido estudiados por químicos, físicos y matemáticos. En un sistema oscilante, la reacción que libera energía puede seguir al menos dos vías diferentes, y la reacción cambia periódicamente de una vía a otra. Una de estas vías produce un intermediario específico, mientras que otra vía lo consume. La concentración de este intermediario desencadena el cambio de vías. Cuando la concentración del intermediario es baja, la reacción sigue la vía de producción, lo que conduce entonces a una concentración relativamente alta del intermediario. Cuando la concentración del intermediario es alta, la reacción cambia a la vía de consumo.
Se han creado diferentes modelos teóricos para este tipo de reacciones, entre ellos el modelo de Lotka-Volterra , el Brusselator y el Oregonator . Este último fue diseñado para simular la reacción de Belousov-Zhabotinsky. [3]
La reacción de Belousov-Zhabotinsky es uno de los muchos sistemas químicos oscilantes cuyo elemento común es la inclusión de bromo y un ácido. Un aspecto esencial de la reacción de BZ es su denominada "excitabilidad": bajo la influencia de estímulos, se desarrollan patrones en lo que de otro modo sería un medio perfectamente inactivo. Algunas reacciones de reloj, como las reacciones de Briggs-Rauscher y la BZ que utiliza el bipiridilo de rutenio como catalizador, pueden ser excitadas hasta la actividad autoorganizativa mediante la influencia de la luz.
Boris Belousov fue el primero en observar, en algún momento de la década de 1950, que en una mezcla de bromato de potasio , sulfato de cerio (IV) , ácido propanodioico (otro nombre para el ácido malónico) y ácido cítrico en ácido sulfúrico diluido , la relación de concentración de los iones de cerio (IV) y cerio (III) oscilaba, lo que hacía que el color de la solución oscilara entre una solución amarilla y una solución incolora. Esto se debe a que los iones de cerio (IV) son reducidos por el ácido propanodioico a iones de cerio (III), que luego son oxidados nuevamente a iones de cerio (IV) por los iones de bromato (V).
La reacción oscilante de Briggs-Rauscher es una de las pocas reacciones químicas oscilantes conocidas. Es especialmente adecuada para fines de demostración debido a sus cambios de color visualmente llamativos: la solución incolora recién preparada se torna lentamente de color ámbar y de repente cambia a un azul muy oscuro. Poco a poco se vuelve incolora y el proceso se repite unas diez veces en la formulación más popular.
La reacción de Bray-Liebhafsky es un reloj químico descrito por primera vez por WC Bray en 1921 con la oxidación del yodo a yodato :
y la reducción del yodato nuevamente a yodo: