תגובה שמתרחשת בשני הכיוונים
חנקן דו־חמצני, NO₂, הוא גז חום: זה הצבע של האובך שמעל עיר ביום של ערפיח. שתיים מהמולקולות שלו יכולות להתחבר למולקולה אחת של דו־חנקן ארבע־חמצני, N₂O₄, שהוא חסר צבע. ה־N₂O₄ הזה יכול להתפרק באותה קלות בחזרה לשתי מולקולות NO₂. כימאים כותבים את זוג התגובות בחץ כפול:
2NO₂ ⇌ N₂O₄
אטמו מעט NO₂ בבקבוק, והוא מתחיל להתחבר בזוגות, כך שהצבע החום דוהה. אבל הוא אף פעם לא דוהה לגמרי. אחרי זמן קצר הצבע מפסיק להשתנות, אף על פי ששום דבר לא אזל. הבקבוק הגיע לשיווי משקל.
שני קצבים שנפגשים
הסתכלו בכרטיס השמאלי בזמן שאתם מזיזים את המחוון זמן, שמריץ את הזמן קדימה, החל מהתחלה, רגע האטימה. בהתחלה יש בבקבוק רק NO₂, ולכן ההתחברות (התגובה הישירה) מהירה וההתפרקות (התגובה ההפוכה) לא יכולה לקרות בכלל: אין N₂O₄ שיתפרק. כדי להתחבר צריכות שתי מולקולות NO₂ להיפגש, ולכן ככל שה־NO₂ מתכלה ההתחברות מאטה. כדי להתפרק מספיקה מולקולת N₂O₄ אחת, ולכן ככל שה־N₂O₄ מצטבר ההתפרקות מואצת.
שני הקצבים מתקרבים זה לזה עד שהם שווים. מאותו רגע, בכל שנייה נוצרים בדיוק כמספר הזוגות שמתפרקים, והכמויות מפסיקות להשתנות. שום דבר לא נעצר: הסתכלו במולקולות שבבקבוק, שבו הבזק ענבר מסמן זוג שמתחבר והבזק כחול מולקולה שמתפרקת. בגלל זה כימאים קוראים לזה שיווי משקל דינמי.
נסו: הזיזו את זמן אל התחלה, ואז לאט לכיוון התייצבות. בכרטיס הימני, ה־NO₂ החום יורד וה־N₂O₄ הכחול עולה, עד ששני הקווים מתיישרים באותו רגע שבו שני הקצבים שבכרטיס השמאלי נפגשים.
קבוע שיווי המשקל
בשיווי משקל הכמויות תמיד מצייתות לכלל אחד. חלקו את הריכוז של N₂O₄ בריבוע הריכוז של NO₂, ובטמפרטורה נתונה תקבלו תמיד את אותו מספר, קבוע שיווי המשקל K, לא משנה כמה גז הכנסתם בהתחלה. הריבוע נמצא שם כי התגובה הישירה צריכה שתי מולקולות NO₂.
ב־25 °C, K הוא בערך 170 ליטר למול. הכרטיס מציג את היחס הזה בזמן שהוא משתנה, מסומן Q, ואפשר לראות את Q מטפס מאפס עד שהוא מגיע ל־K. שנו את NO₂ שנאטם בבקבוק, והכמויות בשיווי משקל משתנות, אבל Q עדיין מתייצב על אותו K.
עקרון לה שטלייה
הפעילו את הוספת NO₂, ומזרק דוחף עוד NO₂ לתוך הבקבוק המיושב. עכשיו זמן רץ מרגע הדחיפה: הזיזו אותו אחורה אל התחלה ושוב קדימה. קצב התגובה הישירה קופץ, כי ההתחברות תלויה בכמה פעמים מולקולות NO₂ נפגשות, ולזמן מה הוא עולה על קצב ההתפרקות. חלק מה־NO₂ הנוסף מתחבר בזוגות עד ששני הקצבים שווים שוב. בסוף הבקבוק חום יותר משהיה לפני ההוספה, אבל חיוור יותר משהיה מיד אחריה.
את הדפוס הזה זיהה הכימאי הצרפתי אנרי לה שטלייה בשנת 1884. עקרון לה שטלייה אומר שכאשר מפריעים למערכת שנמצאת בשיווי משקל, היא נוטה לכיוון שמבטל חלק מההפרעה. הוסיפו NO₂, וחלק ממנו מתכלה.
טמפרטורה פועלת באותה דרך. ההתחברות פולטת חום, בערך 57 קילוג’ול על כל מול של N₂O₄ שנוצר, ולכן ההתפרקות קולטת חום. חממו את הבקבוק, ושיווי המשקל נוטה לכיוון הצד שקולט חום: יותר N₂O₄ מתפרק והגז נעשה חום כהה. קררו אותו, ושיווי המשקל נוטה לכיוון N₂O₄, והבקבוק מחוויר. בניגוד להוספת גז, זה משנה את K עצמו: בערך 1,300 ליטר למול במי קרח, ורק בערך 2 במים רותחים.
נסו: בחרו מי קרח, ואז מים רותחים, וצפו בצבע של הבקבוק. אחר כך הזיזו את NO₂ שנאטם בבקבוק מ־20 עד 80 mmol/L: כשיש יותר גז, חלק גדול יותר ממנו מחובר בזוגות.
שיווי משקל בכל מקום
תגובות רבות הן הפיכות. כימאים בתעשייה משתמשים בעקרון לה שטלייה כדי לקבל יותר ממה שהם רוצים. בתהליך הבר־בוש, שמייצר אמוניה לדשנים מחנקן וממימן, לחץ גבוה דוחף את שיווי המשקל לכיוון האמוניה, והאמוניה מופרדת מהגז בקירור כדי שתיווצר עוד ממנה. בדם שלכם יש שיווי משקל בין פחמן דו־חמצני מומס לחומצה פחמתית, ששומר על החומציות שלו יציבה, וההמוגלובין קולט חמצן בריאות ומשחרר אותו בשרירים, כי שיווי המשקל שלו זז לפי כמות החמצן שסביבו.
זרז לא מזיז שיווי משקל. הוא מאיץ את התגובה הישירה ואת התגובה ההפוכה באותו יחס, ולכן התערובת מגיעה לאותו שיווי משקל מהר יותר.
מה המודל הזה משמיט
בבקבוק יש כמה עשרות מולקולות שמייצגות טריליונים, וציר הזמן מתוח כדי שהתערובת תתייצב לנגד עיניכם; הגזים האמיתיים מתייצבים בשבריר זעיר של שנייה. קבוע שיווי המשקל מחושב מערכים מדודים של החום והאנטרופיה של התגובה, שנחשבים קבועים בכל טווח הטמפרטורות, והגזים נחשבים גזים אידיאליים. NO₂ אמיתי משתתף גם בתגובות אחרות עם האוויר ועם המים, שבקבוק אטום ויבש נמנע מהן. המולקולות כאן עפות בקווים ישרים בין הדפנות בלי להתנגש זו בזו, וההחלפות שממשיכות לקרות בשיווי משקל מצוירות בקצב להמחשה.