Un ceas chimic este un scenariu în care compușii chimici care reacționează provoacă un eveniment brusc observabil după o întârziere care poate fi stabilită relativ precis prin ajustarea concentrațiilor reactanților. Adesea, evenimentul este indicat de o schimbare a culorii, dar poate lua o altă formă, cum ar fi producerea de gaz care provoacă efervescență. În unele cazuri, schimbarea este ciclică și implică o soluție care comută periodic între două sau mai multe stări, de obicei indicate prin culori diferite.
Unul dintre cele mai simple ceasuri chimice este cunoscut sub numele de reacția „ceas cu iod”. Se amestecă două soluții incolore și după o pauză, soluția rezultată devine brusc albastru închis. În cea mai comună versiune a experimentului, o soluție conține un amestec diluat de acid sulfuric și peroxid de hidrogen, iar cealaltă un amestec de iodură de potasiu, amidon și tiosulfat de sodiu. La amestecarea soluțiilor, iodul elementar este eliberat din iodura de potasiu, dar o reacție mai rapidă între iod și tiosulfatul de sodiu îl transformă înapoi în ioni de iodură incoloră. Când tot tiosulfatul a fost consumat, iodul este capabil să reacționeze cu amidonul pentru a produce un compus albastru închis.
Reacțiile de ceas chimic ciclice sau oscilante sunt deosebit de fascinante. În mod normal, o reacție chimică are loc într-o direcție până când se atinge un punct de echilibru. După aceasta, nu va mai avea loc nicio schimbare fără intervenția unui alt factor, cum ar fi o schimbare a temperaturii. Reacțiile oscilante au fost inițial surprinzătoare, deoarece păreau să sfideze această regulă, îndepărtându-se spontan de echilibru și revenind acolo în mod repetat. În realitate, reacția generală se îndreaptă spre echilibru și rămâne acolo, dar în acest proces, concentrația unuia sau mai multor reactanți sau produși intermediari variază în mod ciclic.
Într-un ceas chimic oscilant idealizat, există o reacție care creează un produs și o altă reacție care utilizează acest produs, concentrația produsului determinând ce reacție are loc. Când concentrația este scăzută, are loc prima reacție, producând mai mult produs. O creștere a concentrației produsului, totuși, declanșează a doua reacție, reducând concentrația și determinând să aibă loc prima reacție. Acest lucru are ca rezultat un ciclu în care cele două reacții concurente determină concentrația unui produs, care, la rândul său, determină ce reacție va avea loc. După un număr de cicluri, amestecul va ajunge la echilibru și reacțiile se vor opri.
Unul dintre primele ceasuri chimice ciclice a fost observat de William C. Bray în 1921. A implicat reacția peroxidului de hidrogen și o sare iodat. Investigația efectuată de Bray și studentul său Hermann Liebhafsky a arătat că reducerea iodului la iod, cu producerea de oxigen, și oxidarea iodului înapoi la iod a avut loc într-un mod periodic, cu vârfuri ciclice în producția de oxigen și concentrația de iod. Aceasta a ajuns să fie cunoscută sub numele de reacția Bray-Liebhafsky.
În anii 1950 și 1960, biofizicienii Boris P. Belousov și, mai târziu, Anatol M. Zhabotinsky au investigat o altă reacție ciclică care implică oxidarea și reducerea periodică a sării de ceriu, având ca rezultat modificări oscilante de culoare. Dacă reacția Belousov-Zhabotinsky, sau BZ, se realizează folosind un strat subțire al amestecului chimic, se observă un efect remarcabil, cu mici fluctuații locale ale concentrațiilor reactanților conducând la apariția unor modele complexe de spirale și cercuri concentrice. Procesele chimice care au loc sunt foarte complexe, implicând până la 18 reacții distincte.
Instructorii de știință Thomas S. Briggs și Warren C. Rauscsher, folosind reacțiile de mai sus ca bază, au creat un interesant ceas chimic oscilant în trei culori în 1972. Reacția Briggs-Rauscher prezintă o soluție care se schimbă periodic de la incolor la maro deschis la albastru inchis. Dacă este configurat cu atenție, pot exista 10-15 cicluri înainte ca acesta să se stabilească în echilibru într-o culoare albastru închis.
Un ceas chimic neobișnuit care implică mai degrabă schimbări de formă decât de culoare este reacția inimii care bate mercurul. La o soluție de dicromat de potasiu în acid sulfuric se adaugă o picătură de mercur și apoi se pune un cui de fier aproape de mercur. Pe picătură se formează o peliculă de sulfat de mercur I, reducând tensiunea superficială și făcând ca aceasta să se extindă și să atingă unghia de fier. Când se întâmplă acest lucru, electronii din unghie reduc sulfatul de mercur I înapoi la mercur, restabilind tensiunea superficială și provocând contractarea din nou a blobului, pierzând contactul cu unghia. Procesul se repetă de multe ori, rezultând o schimbare ciclică a formei.
Reacțiile de ceas chimic sunt un domeniu de cercetare în curs de desfășurare. Reacțiile ciclice sau oscilante în special sunt de mare interes în studiul cineticii chimice și a sistemelor de auto-organizare. S-a speculat că reacții de acest tip ar fi putut fi implicate în originea vieții.