Reazioni oscillanti: spiegazione del fenomeno e meccanismo
Le reazioni oscillanti sono un affascinante fenomeno chimico in cui si osservano variazioni periodiche della concentrazione dei reagenti, dei prodotti e dei catalizzatori, provocando una sequenza di cambiamenti di colore che si ripetono ciclicamente.
Il concetto di reazioni oscillanti, inizialmente considerato contraddittorio rispetto al secondo principio della termodinamica, ha suscitato perplessità anche tra i chimici più esperti quando fu descritto per la prima volta negli anni ’50. Solo in seguito si comprese che queste reazioni si verificano in sistemi aperti, in cui sia l’energia che la massa del sistema si rinnovano costantemente. Il passaggio periodico da uno stadio all’altro è determinato dal raggiungimento di una concentrazione massima o minima di un intermedio di reazione.
Un’interessante analogia per comprendere il fenomeno delle reazioni oscillanti è quella dell’antico orologio, in cui le lancette passano due volte al giorno attraverso la stessa posizione. In una reazione chimica oscillante, le concentrazioni di alcuni componenti della miscela di reazione passano ripetutamente attraverso lo stesso valore, ma la reazione di rilascio di energia che guida le oscillazioni procede continuamente verso il completamento.
Il meccanismo di tutte le reazioni chimiche oscillanti prevede tre elementi comuni. In primo luogo, mentre si verificano le oscillazioni, il sistema è lontano dall’equilibrio e l’energia rilasciata costituisce l’innesco che avvia l’oscillazione. Successivamente, la reazione di rilascio di energia può seguire almeno due diversi percorsi, e la reazione commuta periodicamente da un percorso all’altro. Terzo, uno di questi percorsi porta a un intermedio, mentre l’altro percorso lo consuma, e la sua concentrazione innesca la commutazione da un percorso all’altro. Quando la concentrazione dell’intermedio è bassa, la reazione rilascia energia portando ad una concentrazione relativamente elevata dell’intermedio.
Un esempio di reazione oscillante è la reazione di Briggs-Rauscher, comunemente nota come pendolo chimico, in cui si osserva una variazione periodica della colorazione della soluzione che va da un colore giallo ambra al blu e viceversa in un certo intervallo di tempo.