化學空間與時間
化學中的時間觀念
1.消除時間的觀念
列寧曾經指出，時間和空間一樣，是存在的客觀實在形式，世界上除了運動著的物質，什麼也沒有，而運動著的物質隻有在時間和空間之內才能運動。化學研究的物質也隻有在時間和空間之內才能運動。化學同樣離不開時間，正如化學離不開空間一樣。
事實上，從古代煉金術時期即化學形成科學以前的時期開始，時間問題就已經提出來了，而且，在化學的發展中，時間問題進一步引起了化學家們的注意。但是，在與古代煉金術時期以萌芽的形式提出時間問題的同時，也就產生了消除時間、取消時間的傾向。
在煉金術時期，時間是以元素性質轉化的形式顯示出來的。在煉金術士的觀念中，元素是由性質產生的，改變性質也就意味著改變元素本身，隻要設法改變元素顏色、光澤等性質，就可以使一種元素轉化成另一種元素，由此形成元素的演化和元素的曆史，演化和曆史是在時間中進行的。在這個意義上，煉金術以潛在的形式提出了化學變化中的時間問題；另一方麵，煉金術的目的，除了使普通金屬轉化成黃金，以聚斂財富以外，還要發現某種藥劑，以使人長生不死、永遠年青，這就意味著保持永恒。在這個意義上，煉金術試圖應用化學以消除或取消時間。
“消除時間”（time—elimination），逐漸成了化學科學中的一種觀念、一種傳統、一種方法論思想，以致在化學理論中盡可能避免公開使用時間概念。無論在化學的曆史上還是在現代化學中，情況都是如此。當然，“消除時間”不是說在化學中不存在時間，化學中根本用不著時間概念，而是說，在一定研究範圍內或從某種角度研究問題時，可以暫時撇開時間，用哲學的語言來表述，就是通過舍象或抽象去掉時間因素。
眾所周知，在關於化學組成和結構的理論中，化學家們主要研究物質的組成、結構和性質，並把化合物看成相對穩定的不變的體係。穩定和不變，不考慮過程，也就不考慮時間。從這個角度研究化學問題，舍去了時間因素，也即消除了時間。例如，薛定諤方程有時也可看作與時間t無關，這時方程的解就沒有時間參量，隻有空間參量。
按理說，研究化學變化（即化學反應），涉及過程，也就應當涉及時間。可是，在化學反應計量方程式中，我們通常看到的隻是反應物、產物和反應條件，而沒有時間。在化學平衡的熱力學方程式中，我們看到的隻是表示物質的參數，自由能等函數以及溫度、壓力、體積等參量，不存在時間參量。化學熱力學主要從能量變化的角度研究化學反應的方向和進行的程度，它不研究化學反應的快慢，因而也就可以不考慮時間。化學熱力學的核心問題之一就是化學平衡，而所謂化學平衡，就意味著係統內各物質的量將不隨時間而改變，在討論平衡的性質和有關問題時，時間失去了實際意義，可以被舍去。於是，我們在熱力學函數基本關係及其各種導出式中，看不到時間的影子了。
在現代化學中，我們同樣可以看到盡可能避免公開使用時間概念的情況。化學反應過程是物質隨時間而發生的過程，可是在化學中，常常用相對穩定的狀態的總和代替在時間中的運動。例如，把化學轉化隨時間而展開的過程，看成由許多中間產物組成的彼此相繼的序列，或者看成若幹共振形式疊加。這種情況很象攝影家攝製的電影膠片，活動的人物和景象是由不動的、靜止的畫麵構成的。在這種情況中，實際上是把運動化為靜止，通過靜止認識運動、表現運動。化學反應中的初始態、過渡態、終止態等，都是相對靜止狀態，化學平衡則是動態中的靜態，通過靜態可以顯示動態和過程，而不必使用時間概念，從而把時間因素舍棄了。
2.變化的時間觀念
盡管人們力圖消除時間，但時間畢竟是客觀的，是消除不了的。因此，化學家們研究化學轉化的過程中，很早就接觸了時間問題。1540年，畢林古齊（Biringnccio）在《煙火術》一書中已經指出了時間在化學轉化中的作用。後來，在18世紀，洪貝格（Humberg）、路易斯（W.Lewis）和文策爾（Wenel）等人，在化學研究中也涉及了時間問題。1700年，洪貝格在研究酸堿作用“力”的量度時指出，必須考慮到酸吸收堿所需要的時間。1759年，路易斯提出，酸的活性用酸作用於物體的速度來衡量。1777年，文策爾指出，不同物質對同一種溶劑的親合力的大小順序與它們在該溶劑中溶解所需要的時間的長短相反。應當指出，時間概念是與過程概念相聯係的。在18世紀，就化學的發展水平而言，尚未達到深入認識化學反應過程的階段。化學的發展，如同整個科學的發展一樣，有其自身的內在邏輯。一般地說，人們的認識事物首先需要從現實出發，認識它是什麼，而後才能認識它的曆史，追溯它的過去，深入認識現狀，進而推斷未來。19世紀前半期，化學所麵臨的主要任務在於弄清楚化學變化的物質載體本身的情況，研究它們的組成、結構及其與性質的關係。在此過程中或者說在此基礎上，化學逐步轉向對化學過程的研究。
從19世紀中葉開始，通過對化學反應過程的研究，建立了動態平衡概念。所謂動態平衡包含的主要思想有三點：第一，平衡意味著任何化學過程的完成；第二，平衡態不是靜止態，不是過程的停止，而是正反應逆反應速度相等；第三，反應過程的平衡依賴於反應物的濃度之間的比例和反應條件。化學平衡概念中包含著反應速度概念，而且在建立化學平衡概念和理論的同時，緊跟著自然要提出反應速度問題，也就是要求研究和解決化學平衡是以怎樣的反應速度達成的。化學反應速度問題，是化學動力學發展初期的中心問題。如果說，在化學平衡的基礎上建立起來的化學反應理論，是化學靜力學理論，那麼我們可以說，基於化學反應速度而建立起來的化學反應理論則是化學動力學理論。化學動力學理論是在化學靜力學理論基礎上發展起來的，是化學靜力學理論的合乎規律的發展，是化學反應理論發展的必然結果。
1850年，威廉米指出，從化學靜力學觀點向化學動力學觀點的轉變，主要表現在用時間測量補充空間測量，他將化學反應的時間概念與他所提出的動力學模型聯係在一起進行研究，並依據對蔗糖轉化的研究建立了一個方程：
=MZS
式中的dz/dt表示在時間dt內蔗糖量的改變，M表示在酸作用下無限小時間間隔內所轉化的蔗糖量的平均值，Z表示尚存的（即未轉化的）蔗糖量，S為酸的量。這個方程式表明，反應速度與蔗糖量和作為催化劑酸的量成正比。
1862—1863年，貝特羅和聖·吉爾研究了下述可逆反應：
RCOOH+R’OHRCOOR’+H2O
R代表CH3，C3H7，C4H9，C6H5；R’代表CH3，C2H5、C5H11。他們已經發現，在任一瞬間，形成酯的量與反應物質量的乘積成正比例，與反應溶液體積成反比，實際上是基於這個具體反應提出了質量作用定律的特殊形式。此後，本生、羅斯科、哈庫特和艾遜等人，進一步推進了這方麵的研究。1864—1879年，古德貝格和瓦格確立了質量作用定律。他們指出，反應物A、B之間的反應速度與A、B的有效質量p、q的乘積成正比：
v=k·p·q
對於加成反應：αA+βB+γC+…，
v=kpα·qβ·rγ……
1884年，範特霍夫提出了一個反應速度方程式：
式中k為反應速度常數，n為參加反應的分子數（通常n等於1或2），c為反應物濃度，為反應速度。
進入20世紀，化學動力學研究深入到反應機理，建立了反應速率過渡態理論、鏈反應理論以及分子反應動態理論等。
化學動力學研究化學反應進行的速率、化學反應機理和催化作用等，它所研究的是體係隨時間而變化的過程。在化學動力學中，時間成了一個重要變量。現在要問：化學動力學中的時間，是怎樣的時間呢？
化學動力學研究化學反應速率所遵循的規律，化學反應速率是化學反應過程快慢的度量，可以用濃度隨時間的改變率來表示。對於下列的計量反應：
aA+bB→cC+dD
反應速率r=…
式中[A]、[B]、[C]、[D]分別為A、B、C、D的濃度，t為時間，a、b、c、d為A、B、C、D的計量係數。
反應速率的定義式中的dt，實質上是時間間隔。化學反應的實際情況表明，化學反應速率的差別是非常大的。有的反應速率很大，采用的時間間隔很短，如以秒、毫秒或更短的時間間隔來計量；有的反應速率很小，采用時間間隔長，以時、日、月、年計。化學反應速率是化學反應進行快慢程度的量度，而化學反應速率又可以用反應時間來表示，從采用的時間間隔的長短可以反映出化學反應進行的快慢程度。
對於一級反應，速率方程通式為：
……(2)
其積分式為-lnC=kt+B
t=0時，c=c0，則B=-lnC。
所以，速率方程的積分式即動力學方程式為：
ln=kt……（3）
該式表示濃度隨時間遞變的情況，也就是反應物濃度降低到某值需要多長時間，或者反應進行了一定時間之後剩餘反應物濃度是多少。
反應速率、反應速率方程和動力學方程都表示化學反應的快慢，或者說表示化學變化中的時間長短。變化的反麵則是存在、生存，如果用時間來表示，則是不變的時間、存在的時間、生存的時間，或者用化學中常用的術語來表示，則是壽命時間。對於一級反應，常用“反應物的平均壽命”來標度反應進行的快慢程度。反應物的平均壽命τ表示，在A→P反應中，分子A由反應初始通過反應而消耗所經曆時間的平均值。在這段時間內，分子A從反應開始到被消耗為止走完了它的生命行程。換句話說，在這段時間內，它仍存在著、生存著，超過了這個時間範圍，它就不再存在，已經消耗完了。