В научном познании и в процессе усвоения химии химический язык действует не столько своим звучанием или начертанием, сколько главным образом богатством своего значения, т. е. тех мыслей (понятий, суждений, умозаключений), отражающих объективную реальность, которые возникают в сознании, когда человек, знающий химический язык, слышит произношение химических знаков, формул и уравнений, или видит их написание, или произносит и пишет их лично.

Какие же знания о явлениях объективной реальности заключены в химическом языке?

Химический знак является не только кратким названием атома, но и обозначением веса атома в кислородных единицах, веса грамм-атома данного элемента и, следовательно, числа атомов, заключенных в грамм-атоме элемента. Другими словами, химический знак имеет и качественное и количественное значение. Когда химик слышит звук «эн» или видит написание знака N, то у него возникает мысль об атоме азота, имеющем атомный вес 14, грамм-атом которого 14 г и содержит 6,02 x 1023 атомов азота, t Обыкновенная химическая формула (или иначе атомная формула)1 является кратким обозначением молекулы вещества или весовых соотношений элементов вещества и указывает на то, из каких элементов состоит вещество (элементарный состав), сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы (атомный состав молекулы) или каково соотношение атомов в веществе. Каждый химический знак выражает вес атома в кислородных единицах. Химическая формула обозначает молекулярный вес и вес грамм-молекулы данного вещества, число молекул, содержащихся в одном моле вещества, весовые отношения элементов, составляющих молекулу, и, следовательно, любое количество вещества. Другими словами, химическая формула выражает количественный состав молекулы вещества. Благодаря этому по формуле возможно определить количество данного вещества, потребное для получения любого количества составляющего его элемента, и, наоборот, количество составляющего элемента, которое можно получить из определенного количества данного сложного вещества. По формуле возможно рассчитать процентное содержание каждого элемента в химическом соединении.

Формулы газообразных веществ, а также твердых и жидких веществ, переходящих при нагревании без разложения в парообразное состояние, обозначают также объем, который занимает грамм-молекула вещества при нормальных условиях, величину плотности данного вещества по водороду и воздуху, вес одного литра вещества в газообразном или парообразном состоянии при нормальных условиях.

Таким образом, обыкновенная химическая формула дает разносторонние знания о качественном и количественном составе вещества.

Так, например, когда химик слышит слова «це два аш шесть» или видит начертание С2Н6, то он знает, что это специфически химическое обозначение газа этана, молекула которого состоит из углерода и водорода (элементарный состав), что в молекуле этана содержится два углеродных и шесть водородных атомов, что молекулярный вес его равен 30 к. е. (12 • 2+1 • 6 = 30), а плотность по водороду 15, что он несколько тяжелее воздуха, так как плотность воздуха по водороду равна 14,5, что грамм-молекула его при нормальных условиях весит 30 г и занимает объем 22,4 л, что 1 л этана при нормальных условиях весит 1,31 г, что углерод и водород содержатся в этане в весовом отношении 4 : 1 (12 • 2 : 1 • 6 = 24 : 6 = 4 : 1), что процентное содержание углерода в этане составляет 80%, а водорода — 20%. На основании этих данных могут быть произведены различные расчеты, например: «Сколько граммов и литров (при нормальных условиях) водорода может быть получено при разложении 15 г этана?»

Структурная химическая формула обозначает все то же, что и обыкновенная химическая формула, но, кроме того, она показывает, в каком порядке соединены атомы в молекуле, как распределены валентные связи между атомами в химическом соединении. Так, структурная формула уксусной кислоты показывает, что углеродные атомы непосредственно соединены друг с другом, что с одним из них непосредственно соединены три водородных атома, а с другим — два атома кислорода, что четвертый атом водорода соединен со вторым углеродным атомом через кислородный атом. Структурная формула уксусной кислоты показывает в наглядном виде распределение валентных связей между атомами в данном веществе.

Проекционная химическая формула представляет собой изображение на плоскости проекции модели пространственного расположения атомов в молекуле посредством вертикальной линии, пересеченной параллельными линиями, где точки пересечения обозначают углеродные атомы. Все выводы из этих формул совпадают с выводами из пространственных моделей лишь в том случае, когда проекционные формы вращаются в плоскости чертежа.

Проекционные формулы коммулируют в себе все те же знания, что и структурные формулы, но, кроме того, они демонстрируют различие в пространственном расположении атомов в молекулах и, следовательно, отражают явления стереоизомерии. Так, для винных кислот возможны в общем случае конфигурации:

Первые две при повороте на 180° совпадают, следовательно, это симметрические, оптически недеятельные конфигурации молекул. Им соответствует один оптически недеятельный стереоизомер. Третья и четвертая при повороте на 180° не совпадают, и, значит, это оптически деятельные противоположные конфигурации. Им соответствуют два оптически деятельных стереоизомера. Смесь этих изомеров 1 : 1 дает рацемическое соединение, отличное по своим свойствам от ее компонентов.

Ионная химическая формула обозначает все то же, что и обыкновенная химическая формула, но вместе с тем она отражает также ионный состав вещества, т. е. из каких ионов состоит оно.

Так, ионная формула сернокислой меди Cu++SO4 обозначает, что это вещество построено из двухзарядных положительных ионов меди и двухзарядных отрицательных ионов кислотного остатка серной кислоты.

Электронная химическая формула обозначает также все то же, что и обыкновенная формула, но, кроме того, она разъясняет характер связи, существующей между атомами.

Так, например, написанная ниже формула простого вещества хлора показывает, что связь между атомами осуществляется за счет пары электронов, находящихся в общем обладании, что это ковалентная связь, что при спаривании непарных электронов каждого атома происходит соединение их в молекулу, что в результате этого каждый атом приобрел устойчивую конфигурацию внешнего электронного слоя, а именно октет.

Электронная формула уксусной кислоты изображается так:

Каждая черточка структурной формулы заменена парой электронов. Эта формула показывает не только порядок соединения атомов в молекуле, но и ковалентный характер каждой связи. Электронно-ионная формула едкого натра показывает наличие ковалентной связи между атомами кислорода и водорода и ионной связи между натрием и гидроксилом:

Между всеми видами химических формул имеется тесная связь, так как обыкновенная молекулярная формула лежит в основе всех других. Поэтому все другие виды формул могут быть переведены в обыкновенную формулу, а при наличии соответствующих данных обыкновенная формула может быть переведена в структурную, ионную и электронную.

Таким образом, химические формулы имеют глубокое значение. Возникнув в практике опытного исследования веществ и их превращений и правильно отразив их, они сигнализируют нам о качественном и количественном составе и о строении веществ, о связи электронов, обусловивших соединение атомов при образовании данного вещества.

Если химические формулы в скрытом виде содержат многие знания о количественном и качественном составе и строении веществ, то химические уравнения дают обширные знания о химической реакции.

Обыкновенное химическое уравнение указывает прежде всего на то, какие молекулы (вещества) вступили в реакцию и какие новые молекулы (вещества) получились в результате реакции, в каком весовом отношении реагировали молекулы (вещества) и в каком весовом отношении образовались новые молекулы (вещества). Другими словами, обыкновенные химические уравнения в наглядной форме выражают сущность химической реакции с точки зрения атомно-молекулярной теории. Химические уравнения показывают, что изменение состава молекул исходных веществ и образование молекул нового состава при химической реакции явилось следствием движения атомов, их взаимной перегруппировки в молекулах.

Химическое уравнение имеет и качественное и количественное содержание. Оно позволяет производить самые разнообразные вычисления, как например определять количество продуктов реакции, которое получается из определенного количества исходных веществ, или количество исходных веществ, необходимое для получения определенного количества продуктов. Уравнения реакций, в которых принимают участие парообразные или газообразные вещества, дают возможность, кроме того, рассчитать объемные соотношения исходных и образующихся при реакции веществ.

Так, например, реакция взаимодействия мрамора с соляной кислотой, в результате которой образуются хлористый кальций, вода и углекислый газ, изображается следующим уравнением:

Это уравнение говорит не только о том, какие вещества реагировали и какие получились, но и о том, что углекислый кальций взаимодействует с соляной кислотой в отношении 100:73, а хлористый кальций, вода и углекислый газ образуются в весовом отношении 111 : 18:44.

Это же уравнение показывает, что если в реакцию вступит 100 г мрамора, то получается 44 г углекислого газа, что для получения углекислого газа надо взять такое количество соляной кислоты, в котором содержится 73 г хлористого водорода, что из одной грамм-молекулы углекислого кальция получается 1 г-моль углекислого газа, которая при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. На основе этих весовых и объемных соотношений могут быть выполнены различные стехиометрические расчеты.

Химическое уравнение, записанное в структурных формулах, например:

обозначает все то же, что и обыкновенное химическое уравнение, но оно показывает также порядок соединения атомов в молекулах исходных и получившихся веществ и, следовательно, изменение структуры веществ, возникшее в результате реакции. Химическое уравнение, записанное в структурных формулах, более глубоко вскрывает сущность химической реакции.

Ионные уравнения, например:

в наглядной форме выражают сущность химических реакций между электролитами в растворах или расплавах. Они показывают не только то, какие вещества и в каком весовом отношении реагировали и получались в результате реакции, но также и какие ионы были в сфере реакции (в растворе, расплаве), какие ионы взаимодействовали между собой и ушли из сферы реакции, какие ионы не взаимодействовали и остались без изменения. Краткая запись ионных реакций

з наглядном виде показывает, какие ионы вступили во взаимодействие и образовали вещество, ушедшее из сферы реакции и тем самым обусловившее дохождение реакции до конца. Электронные уравнения реакций, например:

или в кратком виде

обозначают все то же, что и обыкновенные химические уравнения, но вместе с тем они указывают нам на то, какие электронные перегруппировки происходят во время реакции, что может приводить к образованию веществ нового состава и новой структуры. Другими словами, электронные химические уравнения в наглядной форме выражают сущность химических реакций с точки зрения электронной теории, рассматривающей эту сущность как отдачу и прием электронов или образование обобщенных электронных пар из электронов разных атомов.

Структурно-электронные химические уравнения, например

изображают все то же, что и обыкновенные, структурные, ионные, электронные химические уравнения, но, в дополнение к этому, они раскрывают сущность химической реакции с точки зрения электронной теории строения атомов и с точки зрения теории строения молекул. Структурно-электронные химические уравнения иллюстрируют изменение характера связи атомов в образовавшихся веществах по сравнению с исходными.

Таким образом, химический язык имеет широкое и глубокое содержание. Он коммулирует в себе знания о составе и структуре молекул, а также об изменении состава и структуры их при химических реакциях, происходящих в результате движения (перегруппировки) атомов, ионов, электронов.