Einführende Chemie – 1. kanadische Ausgabe

Chemie ist ein Zweig der Wissenschaft. Obwohl die Wissenschaft selbst schwer genau zu definieren ist, kann die folgende Definition als Ausgangspunkt dienen. Wissenschaft ist der Prozess des Wissens über das natürliche Universum durch Beobachtung und Experiment. Die Wissenschaft ist nicht der einzige Erkenntnisprozess (z. B. saßen die alten Griechen einfach nur da und dachten nach), aber sie hat sich im Laufe von mehr als 350 Jahren zu dem besten Verfahren entwickelt, das die Menschheit bis heute entwickelt hat, um etwas über das Universum um uns herum zu erfahren.

Der Prozess der Wissenschaft wird gewöhnlich als wissenschaftliche Methode bezeichnet, die ziemlich naiv wie folgt beschrieben wird: (1) Aufstellen einer Hypothese, (2) Testen der Hypothese und (3) Verfeinern der Hypothese. Tatsächlich ist der Prozess aber nicht so einfach. (Ich gehe zum Beispiel nicht jeden Tag in mein Labor und rufe aus: „Ich werde heute eine Hypothese aufstellen und den ganzen Tag damit verbringen, sie zu testen!“) Der Prozess ist nicht so einfach, weil die Wissenschaft und die Wissenschaftler über einen Wissensfundus verfügen, der bereits als von der höchsten Ebene des Verständnisses kommend identifiziert wurde, und die meisten Wissenschaftler bauen auf diesem Wissensfundus auf.

Eine fundierte Vermutung darüber, wie das natürliche Universum funktioniert, wird Hypothese genannt. Ein Wissenschaftler, der weiß, wie ein Teil des natürlichen Universums funktioniert – beispielsweise ein Chemiker – ist daran interessiert, dieses Wissen zu erweitern. Diese Person stellt eine begründete Vermutung – eine Hypothese – auf, um herauszufinden, ob das Universum auch auf eine neue Weise funktioniert. Hier ein Beispiel für eine Hypothese: „Wenn ich einen Teil Wasserstoff mit einem Teil Sauerstoff mische, kann ich eine Substanz herstellen, die beide Elemente enthält.“

Die meisten guten Hypothesen beruhen auf bereits verstandenem Wissen und stellen eine überprüfbare Erweiterung dieses Wissens dar. Der Wissenschaftler überlegt sich dann, wie er prüfen kann, ob diese Vermutung richtig ist oder nicht. Das heißt, der Wissenschaftler plant Experimente. Experimente sind Tests des natürlichen Universums, um festzustellen, ob eine Vermutung (Hypothese) richtig ist. Ein Experiment zur Überprüfung unserer vorherigen Hypothese würde darin bestehen, Wasserstoff und Sauerstoff tatsächlich zu mischen und zu sehen, was passiert. Bei den meisten Experimenten werden kleine, genau definierte Teile des natürlichen Universums beobachtet, um die Ergebnisse der Experimente zu sehen.

Warum müssen wir Experimente machen? Warum müssen wir testen? Weil das natürliche Universum nicht immer so offensichtlich ist, sind Experimente notwendig. Zum Beispiel ist es ziemlich offensichtlich, dass, wenn man einen Gegenstand aus einer Höhe fallen lässt, er fallen wird. Vor mehreren hundert Jahren (zufälligerweise kurz vor der Entstehung der modernen Wissenschaft) wurde dieser Test durch das Konzept der Schwerkraft erklärt. Ist es jedoch offensichtlich, dass das gesamte natürliche Universum aus nur etwa 115 chemischen Grundbausteinen, den Elementen, besteht? Das scheint nicht der Fall zu sein, wenn man die Welt um sich herum betrachtet und all die verschiedenen Formen sieht, die Materie annehmen kann. Tatsächlich ist das Konzept des Elements erst etwa 200 Jahre alt, und das letzte natürlich vorkommende Element wurde vor etwa 80 Jahren identifiziert. Es bedurfte jahrzehntelanger Tests und Millionen von Experimenten, um festzustellen, was die Elemente eigentlich sind. Dies sind nur zwei Beispiele; es gibt unzählige solcher Beispiele in der Chemie und in der Wissenschaft im Allgemeinen.

Wenn genügend Beweise gesammelt wurden, um ein allgemeines Prinzip für die Funktionsweise des natürlichen Universums aufzustellen, werden die Beweise in einer Theorie zusammengefasst. Eine Theorie ist eine allgemeine Aussage, die eine große Anzahl von Beobachtungen erklärt. „Alle Materie besteht aus Atomen“ ist eine allgemeine Aussage, eine Theorie, die viele Beobachtungen in der Chemie erklärt. Eine Theorie ist eine sehr mächtige Aussage in der Wissenschaft. In der Wissenschaft gibt es viele Aussagen, die als „Theorie von _______“ oder als „______ Theorie“ bezeichnet werden (wobei die Leerzeichen für ein Wort oder ein Konzept stehen). Auf diese Weise geschrieben, zeigen Theorien, dass die Wissenschaft eine überwältigende Menge an Beweisen für ihre Richtigkeit hat. Im Laufe dieses Textes werden wir mehrere Theorien kennenlernen.

Eine bestimmte Aussage, von der man annimmt, dass sie im gesamten natürlichen Universum niemals verletzt wird, nennt man ein Gesetz. Ein wissenschaftliches Gesetz ist das höchste Verständnis des natürlichen Universums, das die Wissenschaft hat, und es wird als unantastbar angesehen. Ein solches Gesetz ist zum Beispiel die Tatsache, dass alle Materie alle andere Materie anzieht – das Gesetz der Gravitation. Beachten Sie, dass die Begriffe „Theorie“ und „Gesetz“ in der Wissenschaft eine etwas andere Bedeutung haben als im allgemeinen Sprachgebrauch; mit Theorie ist oft eine Hypothese gemeint („Ich habe eine Theorie…“), während ein Gesetz eine willkürliche Beschränkung ist, die zwar gebrochen werden kann, aber potenzielle Folgen hat (wie z. B. Geschwindigkeitsbegrenzungen). Auch hier gilt, dass die Wissenschaft diese Begriffe anders verwendet, und es ist wichtig, die richtigen Definitionen anzuwenden, wenn Sie diese Wörter in der Wissenschaft verwenden.