一、化学时空的本质 时间是物质的持续性，空间是物质的广延性。化学中的时间就是化学物质运动过程（从反应物到产物）的持续性。化学中的空间就是化学物质运动 过程（从反应物到产物）的广延性。现代化学表明，在大多数情况下化学过 程不是把产生反应的物质直接变成产物，而是按照一定的顺序分成若干个相 互衔接的阶段，也就是说，化学过程乃是由不同质的不同持续时间的一些阶 段的总和构成的。这种过程本身具有自己的、特殊的时空规律，把整理好的 化学过程展示出来——这就是它的时空结构。
化学中的时间与空间依赖于化学物质及其运动，不同的化学物质和不同 的化学反应过程具有不同的化学时间与空间。反之，空间和时间因素对化学 反应过程又具有重要的影响作用。
空间因素列入反应过程，反映着不同的化学物质在不同的化学过程中具 有不同的分子几何构型、化学键的长度和方向以及不同的“空间效应”。所 谓空间效应是指化学物质或原子团的几何大小对化学现象产生的种种影响。 而化学反应也深刻地依赖化学键结构和空间效应。例如在有机化学中，化学 反应的准确描述取决于三个空间特征：结构、配置和共型。分子结构的特征 在于包括分子内的原子数目及其结合方式；配置是化学键的空间布置；共型 是分子中那些并无联系的结构部分的相互作用。在“化学键”和“空间效应” 的概念中可以看出空间关系对上述各方面的重要影响。这两个概念反映了反 应进行的速度或分子反应能力依赖于分子的结构、配置和共型的状况。
时间因素列入化学反应过程，反映了不同的化学物质在不同的化学反应过程中具有的不同反应历程和反应时间。在化学动力学中引入时间概念，即 采用时间单位的概念，可以用来作为计算化学变化的尺度。这样就可以深入 揭示在多阶段化学反应中，特别是在过渡态理论中化学变化的发生参数和时 间参数的作用。
化学过程中的空间和时间的本质，是化学物质的排斥和吸引的相互作用。“一切化学过程都归结为化学的吸引与排斥过程。”①化学的吸引与排斥 是化学运动的基本矛盾。它决定了化学过程中的时空概念。我们可以这样设 想，如果物质在化学反应过程中只有吸引作用而无排斥作用，则化学物质就 会变成一个点而不再具有广延性和持性续，也就不会再具有化学物质结构和 化学反应的持续过程，从而也就没有化学的时空可言。我们还可以这样设想， 如果物质的化学过程只有排斥作用，化学物质就会变成虚无而不再具有物质 的广延性和持续性，也就不会再具有化学物质的结构和化学反应的持续过 程，从而也就没有化学的时空可言。由此可见，如果没有化学的吸引和排斥 的相互作用，化学物质也就不会有时空存在形式。正是由于化学物质的吸引 和排斥的本性，及其相互关系的不断改变，化学过程才具有化学时空存在形 式，才有化学时空存在状态的不断变化，并使化学反应丰富多采。化学的排 斥和吸引是化学运动的基本矛盾。这一基本矛盾决定着化学反应过程，同时 也决定着化学时空的存在形式，即化学的排斥和吸引是化学时空的本质。
在研究物质化学转变过程中，时间或速度是一个很重要的因素。这就决① 恩格斯：《自然辩证法》，人民出版社，1971 年版，第 189 页。
定了时间概念在化学中特别是在化学动力学中占有的重要地位。因而，在这 里有必要探讨一下化学中时间的特点。主要是探讨一下化学时间的方向性在 不同的化学过程中所反映出的不同特点。
1.化学平衡过程中的时间
长期以来，化学家在研究化学过程时，研究的对象并不是所有的化学过 程而只是一种特殊的过程，即化学平衡过程。质量作用定律就是描述化学平 衡过程的一种规律性。在这种过程中，随着时间的持续，在宏观上化学平衡 状态不再改变，而在微观上则反应物或生成物之间的反应仍在不断进行。这 是动态的持续过程。它的时间的方向性与系统的方向无关，即化学变化被看 成是与时间无关的。
2.化学自发反应过程的时间
化学自发反应过程是不可逆的，对于这种化学过程，时间的前进方向与 化学过程的不可逆性一致（例如铁生锈）。化学过程的方向就是时间之矢的 方向。第一次揭示不可逆过程和化学反应方向的是热力学第二定律。在一定 的条件下，它揭示了化学变化所遵循的一定的、严格的方向。时间箭头也是 指向这个确定的反应方向。在一定条件下，化学反应是朝着自由能减少的方 向进行。这样，从始态出发就可以预见未来的状态（终态）。
3.化学振荡过程的时间
一个自发进行的化学反应总是朝着混乱度增大或最无序的方向运动，直 至最后达到平衡态。但是，一些不可逆的化学反应，在远离平衡态时，含有 催化机制的化学系统可以出现化学振荡。所谓化学振荡，是指在化学反应过 程中某种化学成份的浓度随时间而发生的周期性变化现象。对于化学振荡过 程，在时间进化的方向上，反应物和产物周期性地变化。例如 B—Z 反应当被 控制在远离平衡态时，反应表现出颜色的周期性变化。这说明反应物与生成 物的浓度呈现周期性改变。这种化学振荡过程与平衡过程不同，平衡过程中 正逆反应双方同时改变，而在振荡过程中却产生了循环，即在时间进化的方 向上，每一时间间隔内物质浓度都在改变，在相同的时间内浓度的改变发生 重复。另外，化学振荡过程与自发反应的不可逆过程也不同，后者反应的方 向性与时间的方向性一致，而且存在最终极限，即反应物全部转化为产物； 而振荡过程反应的方向即不与时间的方向始终如一，又不存在最终极限（只 要条件允许）。
化学振荡是非生命反应系统中发现的自组织现象，与传统的化学反应系统不同。化学振荡不是一大堆分子的无规则碰撞导致的系统无序化过程，也 不仅仅表现为分子的化合和分解、键的断裂和生成，化学振荡还具有生命体 的重要特征——系统的自组织性。现代科学对生命现象的研究已初步表明， 振荡反应在生物系统中有着十分重要的意义。生命内的自组织现象，是参加 生命过程的化学物质的振荡现象。生命体内含有许许多多的化学振荡结构。 因此说，化学振荡反应的发现，实现了化学反应与生物反应的联系。这就使 得化学中的时间概念和生物学中的时间概念发生了联系。
4.化学进化过程的时间
化学进化反映了物质从低级向高级的历史发展，反应物作为“过去”， 生成物作为“现在”或“未来”，这里不仅有复杂的质变，而且还记录了时 间的进程。因而，化学进化的方向反映了时间的方向。对于不可逆的化学反 应过程来说，虽然化学过程的方向就是时间之矢的方向，但是没有能反映出化学物质的进化方向。只有在化学进化过程中，时间的进化方向才与化学物 质的进化方向一致。化学进化过程中的时间，已成为物质进化的“内部量度”。 耗散结构理论的“内部时间”概念，为化学进化的时间方向提供了科学的描 述（见第一节）。
依照化学中时间概念的特点不同，可以看出，化学反应存在着不可逆的 化学反应（时间具有不可逆性）；平衡态的化学反应（与时间无关）；远离 平衡态时含有催化机制的不可逆化学反应，可以形成化学振荡结构（时间与 生物反应联系起来）；以及化学进化过程中的反应（时间是物质进化的内部 量度）。这就有力地揭示了普里戈金提出的时间在三个层次上（即与运动相 联系的可逆时间，与热力学相联系的不可逆时间，与物质进化相联系的时间） 的联系和转化。化学是介于物理和生物学之间的中间学科，就某种意义上说， 化学中的时间概念实现了物理学、化学和生物学的一体化。这也将实现恩格 斯预想的计划，即物理学家，化学家和生物学家共同努力来详细研究从非生 命界向生命界跃进和绘出一个统一的世界画面。①二、化学时空的度量 度量，是科学研究的基本要素之一。度量从科学角度上看，是一种操作过程，是依据一定规则，并按照被测对象的不同类别与程度而确定的以数字 表示的操作结果。在科学中最基本的测量就是长度（表征物质的空间位置）、 时间、质量（表征物质运动的量）。化学中的度量主要是空间因素和时间因 素（在对化学反应速度进行度量时包括化学物质的质量度量）。日常经验告 诉我们，使用度量单位进行度量时，量度单位要小于或等于被度量的对象。 从这个意义上讲，随着化学度量技术的不断提高，人们对化学运动的认识过 程也不断进步。因而，化学度量可以作为化学理论发展的重要标志。
1.化学空间的度量
化学空间是指化学物质运动过程的广延性。在化学过程中，任何化学物 质都有一定的空间结构。化学物质的结构决定化学反应的方向和速度，因而， 化学空间的度量在化学中具有重要的意义。
19 世纪初，由于原子分子论的建立而把空间概念引入化学。19 世纪中叶以后，由于有机化学结构理论的建立而开始了化学空间的度量。但是在 19 世纪以前，人们对化学某些因素的度量主要只是局限于化学组分的分析，即 分析物质的化学组成（定性分析），以及各种组成单位在物质中的含量（定 量分析），进而确定化学物质的性质。直到有机结构理论的建立，人们才可 以度量分子中原子的空间排列和顺序，从而能够进一步确定化学物质的性 质。
19 世纪下半叶，由于立体化学的发展，人们开始可以测定晶体和分子的 几何构型，并把对于分子结构的观察从平面空间发展到立体空间。
20 世纪初，由于电子的发现和量子力学的产生，以及化学键理论的建 立，人们就可以度量分子结构（化学键的长度与方向）、配置（分子中原子 的空间分布）和共型（分子中原子的空间影响），把化学空间的量度向前推 进一步。
本世纪 60 年代以后，由于量子化学的建立与发展而使化学空间度量产生① 波马连科：“时空概念在化学中的发展”，《恩格斯与自然科学》，中国社会科学出版社， 1984 年版，
第 141 页。
了新的突破。在此以前，化学空间的度量只是局限于分析反应物和产物的分 子结构，然而此后则进一步深入到对于许多中间态（过渡态或瞬间态的度 量）。这就是说，人们不仅可以度量反应物和产物的分子构型，而且还可以 度量寿命小于 10-12 秒的瞬间态的构型与机理，使人们能够从中间态的构型来 认识化学反应的机理。
2.化学时间的度量
现代化学反应理论揭示了化学反应过程是经过许多瞬间步骤的持续过 程。要揭示这些反应过程的瞬间态的机理，就必须引入时间度量的概念，亦 即时间的单位。正如美国化学史家本菲指出的，在动力学理论中，“就在于 把时间的测量加在空间测量上面。”①在化学动力学理论中，时间的特性是以两种型态表现出来的。第一，在 时间的连续性方面，动力学方程中有时间因子 t，也就是说化学反应过程具 有一定的时间顺序；其次，时间是以反应速度形式出现，在这里采取了时间 单位的概念，用来计算化学变化数量的尺度。可见化学动力学中的时间概念 已经包括了时间单位。由于在每个确定的时间单位内化学变化的物质量都能 测量出来，这样就可以确定化学过程的反应速度和机理。
宏观反应动力学是从反应的基态和平衡态（相当于静态）的一些性质来 研究化学反应速度和机理的。19 世纪下半叶，人们根据化学平衡原理和化学 反应速度的概念，在确定化学反应速度时常常离不开温度的控制、浓度的测 量和时间的记录。根据实验结果，然后设计出一套反应历程使之与速度方程 相吻合。在这种情况下，观测到的速度常数实际上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，但是这些理论也是从分子的一些热力学性质来 计算宏观化学反应速度。因而，在宏观反应动力学中，化学时间因子的度量 基本停留在平衡态（静态）和慢反应上，时间度量的间隔一般是 10 秒或秒的 单位。
本世纪 40 年代后，由于电子技术的发展，给快速反应的测定创造了条件。1948 年，有人还曾认为，对寿命在毫秒（10-3 秒）以下的自由基是不能 用物理方法直接测定的，可是到了 1949 年化学家就用闪光分解法测定了 10-3 秒的自由基。50 年代后，人们可以测定 10-6 秒的一些快速反应的速度。
本世纪 70 年代以来，分子反应动态学产生以后，人们用分子束和激光技术可以在 10-12 秒的时间内，分辨与区别基元反应的不同速度。近来的文献报 导，人们可以对 10-15 秒时间内的基元反应进行研究与控制。①从上所述，化学时间的度量（时间间隔）正在日益不断精确化。在宏观 反应动力学中时间间隔为 10 秒或秒，在快速反应测定中是 10-6 秒，而在分 子反应动态学的时间间隔只是 10-12 秒。这就使化学反应动力学的研究实现了 从宏观到微观，从“慢”反应的考察到“快”反应的研究，从静态到动态的 过渡，开创了化学动力学发展的新纪元。因而，化学时间的度量进步，也是 人们认识化学运动的不断深入的标志。
由此可见，化学中时间、空间的概念特点是由化学运动的种种方式所决 定的。一方面，承认时间、空间的客观现实性，承认它们的普遍性以及同运①
O·T·Benfey ： Cos of time in chemistry J·Chem.Educ，（11）574（1963）.
① 于雷：“化学时间概念的探讨”，华东师大硕士论文档案库，1988 年。
动着的物质的有机联系；另一方面，承认物质运动形式的多样性和特殊性， 以及它们所固有的时间、空间特征。因此说，化学时空概念的形成、应用和 发展，深刻地揭示了时空领域中哲学概念和自然科学（在此为化学）概念的 相互内在的本质联系，有力地促进了化学、自然科学和哲学的发展。
