化学时空概念的发展，是与自然科学时空概念发展密切相关的。自然科 学时空概念引入化学领域是人们对化学运动认识过程的不断深化的结果。
纵观人类对化学运动的认识过程，大体上是按照性质→组成→结构→过 程→进化的线索进行的。古代化学主要是通过“拟人的观念”和“亲合性” 来解释物质相互化合的性质；波义耳则认识到可以通过把握物质组成来说明 性质，以“组成—性质”为线索来解决化学的质变问题；19 世纪初，由于同 分异构现象的发现，人们又认识到化学性质不仅同组成有关，而且也同化学 物质各组成物质的空间排列有关。由此把空间因素引入化学，并产生了化学 结构的概念，进而开始对组成、结构、性质进行全面研究；此后，在 19 世纪 下半叶，由于化学热力学和动力学的发展，进而使化学从研究静态的化学组 成和结构深入到研究化学变化的机制与过程。由此再把时间因素引入化学， 并产生了关于化学过程的学说；到了本世纪 60 年代以后，随着具有生物活性 的高分子的不断合成，化学开始利用生物界的催化功能研究化学进化，进而 奠定了化学进化学说的基础，并给化学时空概念赋予了新的含义。
化学时空概念的发展线索与人类对化学运动的认识过程可用图 11—2 表 示。
一、化学空间概念的发展 化学中空间概念的引入与发展，是同化学结构理论的产生与发展密切相关的。1861 年，俄国化学家布特列洛夫概括了当时的研究成果，提出了“化学结构”的概念。他认为，“一分子的化学性质决定于基本组分的性质和数 量，还决定于它的化学结构。”①化学结构的概念肯定了分子结构的可知性， 明确了结构和性质的关系。化学结构理论所采用的化学结构符号模型，可以 鲜明地模拟出原子彼此在一个平面上的固定排列顺序和互相联接的方式。因 此可以说，由于布特列洛夫提出的化学结构的平面空间概念，就使得化学空 间概念得以进一步的确立。
此后，随着立体化学的发展，空间观念的重要性获得了越来越广泛的认 识。1874 年，荷兰化学家范特霍夫和法国化学家勒贝尔发展了凯库勒的碳四 价说，分别提出了反映有机分子三维空间结构的立体结构学说。他们把化学 式推广到空间，并根据事实推导出碳原子的四个价不能互相垂直处在同一平 面上的结论，进而提出了四面体的空间排列，把化学分子的结构由平面推向① 凌永乐：《世界化学史简编》，辽宁教育出版社，1989 年版，第 191 页。
立体。范特霍夫和勒贝尔的立体化学概念，在瑞士化学家维尔纳的配价理论 中得到了进一步发展。他把八面体构型作为研究配价化合物的空间结构的基 础，作出了得到实验证实的立体化学结论。这就不但提出了分子结构的空间 构型，而且还解释了同分异构现象，使得空间概念在化学中得到了进一步发 展。
现代化学键理论的发展，使化学空间概念进入了微观层次。量子化学中 进一步广泛使用了空间概念。它把分子的立体化学看成是分子的电子结构的 结果。其出发点是，认为原子的化学键机制依赖于电子运动的波动性质，而 化学键的空间分布的方向性，最终是由电子电荷在核—电子系统中不均匀分 布状况所决定的。在量子化学中，空间概念的进一步引用，反映了化学变化 强烈依附于分子几何学、化学键的长度和方向等空间效应的状况。在某些反 应中，一种原子团被其它原子团所置换的速度在一定程度上也是取决于空间 因素。它可对原子产生新的交互作用，可对许多化学反应的速度和平衡发生 影响。在现代化学中特别重视对于物质的空间因素的研究。目前，化学在时 间尺度上的分辨能力可以达到 10-12 秒，而在空间尺度上进行的“微区分析” 则可以达到分子量级（10-8—10-5 厘米），并可以展示出某些分子的空间取 向、电荷转移、能量传递和键的破裂等过程细节。由此可见，化学空间概念， 在量子化学中已经深入到微观层次。
二、化学时间概念的发展
第一个把时间因子引入化学中的是瑞典化学家温策尔。①在 17 世纪和 18 世纪，牛顿力学取得了惊人的发展，并且对化学产生了深刻的影响。化学家 们由于受到当时力学的影响，把化学反应的原因（化学亲合力）同牛顿力学 的引力思想联系起来，从力学中借用了诸如质量、速度等各种概念，并且极 力地推行力学的度量。1777 年，温策尔受牛顿力学的时间概念的影响，第一 个引入时间因子来测量亲合力的大小。他根据镁、铁、铜、锌、铅等金属从 同一稀酸中置换出氢气的速度（单位时间内氢气的逸出量），来测量不同金 属的亲合力，但是他没有取得定量结果。因此，直到 19 世纪下半叶时间因子 才和化学过程发生联系。1850 年，德国化学家威廉米重新开始了半个多世纪 以前温策尔的工作，继续寻求时间因子与反应过程的联系。他在研究蔗糖在 酸作用下的反应速度时，提出了反应生成量与反应时间关系的数学表达式：dc
kc dt
这是单分子反应的第一个动力学方程式。它把时间因子和反应过程联系起 来。可见，威廉米已经把时间因子定量地引入化学中。但是，“他的这一工 作直到 1888 年被奥斯特瓦尔德发现之前，从未为人所知。”②从 19 世纪中叶开始，化学家们逐步认识到时间因子对于化学过程的重要 意义。1851 年曾经提出过化学动态平衡概念的英国化学家威廉森指出，在静 力学中，我们研究的是静止瞬间的现象，而在动力学中，我们则是研究现象 的变化。因此，在化学中引入时间因子是必要的。他认为，尽管这一事实已 被提出来，但仍未对化学过程进行解释。对此，他号召化学家研究化学过程 中的运动情况，以便减少把化学现象归结为神秘的力的事实。他并通过乙醇① 丁绪贤：《化学史通考》，商务印书馆，1951 年版，第 469 页。
② 《化学发展简史》编写组：《化学发展简史》，科学出版社，1980 年版，第 224 页。
加硫酸皂化反应分二步进行的机制的研究，认为把化学变化的运动机制引入 化学，则是时间因子引入的最简单的方法。①1860 年以后，古德贝格和瓦格进一步认识到了时间因子对化学过程的重 要意义，提出了质量作用定律，建立了动力学的方程。他们把时间因子 t 引 入动力学方程中，通过动力学方程人们可以研究不同时间的反应速度。因此 说，只有把时间因子引入化学，人们才有可能确立化学过程的机理和速度。 化学中时间概念的引入，经历了从温策尔到 19 世纪末化学动力学产生之 后的一百多年的历史。在这段历史中，由于 19 世纪初道尔顿的原子论出现之 后把空间概念引入化学，而使得结构理论得到发展。在此基础上时间概念才 在化学中得以确立。关于时间概念引入化学比空间概念引入化学较晚的现 象，应当说是由认识过程本身的规律性所决定的。大家知道，人类认识事物 总是从简单到复杂，从静态到动态。化学在研究静态或空间的具体形式时， 时间因素并不起实质性的作用。因为人们往往可以首先撇开包括时间在内的 各种关系进行研究。时间因素只是在需要揭示化学变化过程时才被引入。因 此，在化学研究中往往都是先认识物质的特性，物质的结构，而后才认识物 质的转化过程。也就是说，在开始转向对过程及其同已发生化学变化的物质 的空间结构的联系的研究中，才产生了引入时间概念的客观必要性。正如恩 格斯指出：“必须先研究事物，而后才能研究过程。必须先知道一个事物是 什么，而后才能觉察这个事物中所发生的变化。自然科学中的情况正是这样。”①
19 世纪下半叶，由于质量作用定律的建立而明确了化学平衡和化学反应 速度的概念。而阿累尼乌斯指数定律的产生，又提出了活化能和活化分子的 假设。这样就使人们初步掌握了化学反应速度与浓度、温度以至和催化剂的 相互关系，从而奠定了化学动力学理论概念的基础。
大家知道，在一定的条件下，根据热力学第二定律的计算，可以预见化学反应的方向和限度，可以从初始态出发预见到未来。但是，为了实现这一 未来状态需要多长时间，热力学第二定律并不能提供答案，而需要依靠化学 动力学。在化学动力学中，时间特性是以两种形态表现出来的。一是在动力 学方程中有时间因子，表现了化学反应具有一定的时间顺序；二是采用了时 间单位概念，用来作为计算化学变化数量的尺度。这样就可以揭示在多阶段 化学反应的变化与机理。因此，在化学动力学中，时间在连续性方面（始态 和终态的联系），以及在不连续方面（时间单位作为化学变化度量单位）都 反映了时间参数。
20 世纪以来，化学反应动力学理论得到了进一步深化。本世纪初以气体 分子运动论为基础确立的反应碰撞理论，30 年代在量子力学和统计力学理论 基础上提出的反应速度过渡态理论等，都使化学时间概念得到了进一步的发 展。
化学反应碰撞理论认为，两个分子进行化学反应必须相互碰撞，但不是 每次碰撞都能发生反应，而只有活化分子碰撞才能发生反应（即有效碰撞）。 路易斯根据气体分子运动论提出了反应速度的指数公式：k=pze-E■RT
① O·T·Benfey ：“Cos of time in Chemistry”，J·ChemEdue.（11）574（1963）.
① 《马克思恩格斯选集》，第 4 卷，人民出版社，1972 年版，第 240 页。
反应的过渡态理论的基本假设是，化学反应要经过一个活化状态（也叫 过渡状态），形成活化络合物。这个活化络合物与反应物之间处于平衡状态， 反应体系经过过渡状态后，活化体再变成产物。这个理论的反应速度公式为：RT
k
N h e
△■RT
·e E■RT
在碰撞理论中，时间因子是同分子的运动速度与有效碰撞联系起来；在 过渡态理论中，时间因子是同活化络合物的热力学性质联系起来。另外，过 渡态理论还表明，化学反应并不是简单的从反应物到产物“直线式”完成的， 而是经历了复杂的过程。过渡态是任何一种化学反应的必要组成部分，是联 系化学物质质变的桥梁。这就进一步揭示了时间因子在多阶段化学反应中的 作用。
本世纪 40 年代，由于电子技术的发展，特别是在 60 年代初，由于分子 束和激光技术在化学上的应用以及大型快速计算机的产生，促进了量子化学 理论的发展，一批有开拓精神的科学家开始用新的微观实验方法和理论方法 去研究化学反应变化的快慢和机理，进而诞生了分子反应动态学或微观反应 动力学。它是从微观的角度研究化学反应体系（包括反应物的分子和产物的 分子）的运动过程的科学，从而能够把化学时间因子同反应体系的一些微观 性质密切联系起来。
分子反应动态学产生以后，使人类对化学反应的认识达到了三种不同的层次，即表观反应（也叫总包反应）、基元反应和态—态反应等三个层次。 表观反应只能代表化学反应的热力学性质，只是受物质不灭定律的限制，而 不能代表化学反应的真正动力学过程。在过去，当人们研究某种化学反应时， 常常归结于说明构成这一表观反应的许多基元反应，如氢分子和氧分子反应 并不能直接一步生成水，中间要包括 11 个基元反应（反应机理）。由此可见， 同表观反应相比，基元反应是基本的东西。但是分子反应动态学产生后，揭 开了这些基元反应的内部奥妙。所谓基元反应，实际上是许许多多微观过程 的统计平均结果。这些微观过程包括所谓更基本的态—态反应。态—态反应 是从指定能态的反应物转变成指定能态的产物的化学反应，也可以是从一个 能态到另一个能态的分子碰撞传能过程。在三个层次中表观反应和基元反应 是宏观化学动力学的研究对象，态—态反应是微观反应动力学研究的主要课 题。宏观化学动力学主要集中于研究温度、浓度、压力及催化剂等宏观因素 对反应速度的影响，观测到的速度常数实际是能量按波兹曼分布的一群分子 的统计平均结果。化学反应速度的碰撞理论和过渡态理论，尽管它们是以分 子和原子为研究对象，但是这些理论是从分子的一些热力学性质来计算宏观 化学反应速度的。微观反应动力学或分子反应动态学则是以态—态反应为研 究重点，是从微观层次分子之间的一次具体碰撞行为来认识基元反应的微观 机理和速度的。如从分子碰撞及其特征运动的时间，微观能态，电子相互作 用，瞬间构型等来认识化学反应的速度和机理。这就使得化学的时间因子进 入到微观层次，并把化学时间同反应体系的分子、原子联系起来，而且也使 得用来作为计算化学反应数量变化的时间单位（即时间间隔）更加精确化。 目前分子反应动态学的实验结果已经揭示了寿命小于 10-12 秒的过渡态的反 应速度和机理。因此，分子反应动态学的发展，使化学时间概念进入到了一 个崭新的阶段。
三、化学时空概念在化学进化中的发展
化学进化与化学变化是两种不同的过程，因而，化学进化过程的时空观 念也有别于化学变化过程。
当代大爆炸宇宙论认为，我们观测到的宇宙是起源于一次大爆炸，从物 质的进化上看主要倾向是化学元素的进化。大爆炸的早期，主要是形成 1H 和2H 等物质，然后则是生成氦。因此，在我们所观测到的早期宇宙中，氦和氢 的丰度最高。此后，比较重的所有元素及其同位素，都是在恒星内部通过一 系列进化过程完成的。
在宇宙的演化中，逐渐形成了星系，包括地球。在地球上，进一步出现 了化学进化。原始地球的还原型大气，是在自然条件下通过化学进化生成氨 基酸和核苷酸，进而生成蛋白质和核酸等生物大分子，直到再进化而出现生 命现象。
人们对化学进化的认识落后于对化学变化的认识。化学进化的过程比一 般的化学变化较为复杂。从研究的对象看，一般的化学变化只是研究地球上 现存的物质变化规律，而化学进化则需要研究地球上过去的物质变化规律， 以至地球以外的物质变化规律。此外，化学变化的前后物质属于同一层次， 不分高低，化学进化则反映了物质从低级向高级的历史发展进程，以至时间 进程。反应物是作为“过去”时间的低级物质，生成物则作为“现在”或“未 来”时间的高级物质。这里不仅有复杂的质变，而且还记录了时间的进程。 所以，化学变化是相对较为简单的过程，而化学进化则是相对较为复杂的过 程。对于化学进化的研究要在研究化学变化的基础上进行，后者为前者提供 了理论依据。可见，化学进化与化学变化是两种不同的化学过程。因此，化 学进化过程的时空概念也不同于化学变化过程。过去化学家曾长期忽视了对 于化学进化的研究，只把化学过程看作是物质之间的转化，而不管化学物质 的起源如何，即忽视了化学变化过程中的时空进程。
普里戈金提出的耗散结构理论的时空观，为理解化学进化的时空概念提供了基础。普里戈金提出了内部时间概念（见第一节），把时间作为一个算 符，时间就不再仅仅是一个几何参量了。它的本征函数集构成了一个向量空 间，每一维都代表着不同的年龄。在这样空间分布中的物质，不仅在均匀地 流逝中，还有年龄和历史。普里戈金称为“空间的时间”。空间变化有年龄， 各种不同年龄呈现出一个空间分布。总之，化学进化是一种物质向更高级物 质的演化，也就是说，化学进化是化学物质有着不同年龄构成的演化。一切 在时间流中（时间进化），化学物质才具有活性，空间才具有不同的年龄结 构。因此，在化学进化过程中就把时空的进化与化学物质的进化统一起来， 时间和空间具有了物质进化的含义。
