Bevezető kémia – 1. kanadai kiadás

A kémia a tudomány egyik ága. Bár magát a tudományt nehéz pontosan meghatározni, az alábbi definíció kiindulópontként szolgálhat. A tudomány a természeti világegyetem megismerésének folyamata megfigyelés és kísérlet útján. A tudomány nem az egyetlen megismerési folyamat (pl. az ókori görögök egyszerűen csak ültek és gondolkodtak), de több mint 350 év alatt a legjobb folyamattá fejlődött, amelyet az emberiség a mai napig kitalált a minket körülvevő világegyetem megismerésére.

A tudomány folyamatát általában a tudományos módszer néven szokták megfogalmazni, amelyet meglehetősen naivan a következőképpen írnak le: (1) felállítunk egy hipotézist, (2) teszteljük a hipotézist, és (3) finomítjuk a hipotézist. Valójában azonban a folyamat nem ilyen egyszerű. (Én például nem megyek be minden nap a laboromba, és nem kiáltom azt, hogy “ma felállítok egy hipotézist, és egész nap tesztelem azt!”). A folyamat azért nem ilyen egyszerű, mert a tudománynak és a tudósoknak van egy olyan ismerethalmaza, amelyről már megállapították, hogy a megértés legmagasabb szintjéről származik, és a legtöbb tudós ebből az ismerethalmazból építkezik.

A természeti világegyetem működésére vonatkozó megalapozott feltételezést hipotézisnek nevezzük. Egy tudós, aki tisztában van azzal, hogy a természeti világegyetem egy része hogyan működik – mondjuk egy kémikus -, érdekelt ennek a tudásnak a továbbfejlesztésében. Ez a személy egy ésszerű találgatást – egy hipotézist – készít, amelynek célja, hogy megnézze, működik-e a világegyetem egy új módon is. Íme egy példa egy hipotézisre: “Ha egy rész hidrogént és egy rész oxigént összekeverek, akkor olyan anyagot tudok előállítani, amely mindkét elemet tartalmazza.”

A legtöbb jó hipotézis a korábban megértett tudáson alapul, és ennek a tudásnak a tesztelhető kiterjesztését jelenti. A tudós ezután módszereket talál ki annak tesztelésére, hogy ez a feltételezés helyes-e vagy sem. Vagyis a tudós kísérleteket tervez. A kísérletek a természetes világegyetem tesztjei annak megállapítására, hogy a feltételezés (hipotézis) helyes-e. Az előző hipotézisünk tesztelésére szolgáló kísérlet az lenne, hogy ténylegesen összekeverjük a hidrogént és az oxigént, és megnézzük, mi történik. A legtöbb kísérlet magában foglalja a természeti világegyetem kis, jól meghatározott részeinek megfigyelését, amelyeket arra terveztek, hogy lássák a kísérletek eredményeit.

Miért kell kísérleteket végeznünk? Miért kell tesztelnünk? Mivel a természetes univerzum nem mindig olyan nyilvánvaló, szükség van a kísérletekre. Például elég nyilvánvaló, hogy ha egy tárgyat magasról leejtünk, az le fog esni. Több száz évvel ezelőtt (véletlenül, a modern tudomány kezdetének közelében) a gravitáció fogalma megmagyarázta ezt a kísérletet. Az azonban nyilvánvaló, hogy az egész természetes világegyetem csak körülbelül 115 alapvető kémiai építőelemből, az úgynevezett elemekből áll? Ez nem tűnne igaznak, ha megnéznénk a körülöttünk lévő világot, és látnánk, hogy az anyag milyen sokféle formát ölthet. Valójában az elem fogalma csak körülbelül 200 éves, és az utolsó természetesen előforduló elemet körülbelül 80 évvel ezelőtt azonosították. Évtizedekig tartó vizsgálatok és több millió kísérlet kellett ahhoz, hogy megállapítsák, mik is valójában az elemek. Ez csak két példa; számtalan ilyen példa létezik a kémiában és általában a tudományban.

Amikor elegendő bizonyítékot gyűjtöttek össze ahhoz, hogy megállapítsanak egy általános elvet a természeti világegyetem működéséről, a bizonyítékokat elméletben foglalják össze. Az elmélet olyan általános állítás, amely nagyszámú megfigyelést magyaráz meg. “Minden anyag atomokból áll” egy általános állítás, egy elmélet, amely számos kémiai megfigyelést megmagyaráz. Az elmélet nagyon erős állítás a tudományban. A tudományban sok olyan állítás létezik, amelyet “a _______ elméletének” vagy a “______ elméletének” neveznek (ahol az üres részek egy szót vagy fogalmat jelölnek). Ha így írják, az elméletek azt jelzik, hogy a tudománynak elsöprő mennyiségű bizonyítéka van a helyességére. A szöveg során több elméletet is látni fogunk.

Az olyan konkrét állítást, amelyről úgy gondoljuk, hogy az egész természeti világegyetem soha nem sérti meg, törvénynek nevezzük. A tudományos törvény a természeti világegyetem legmagasabb szintű megértése, amellyel a tudomány rendelkezik, és amelyet sérthetetlennek tartanak. Például az a tény, hogy minden anyag minden más anyagot vonz – a gravitáció törvénye – egy ilyen törvény. Megjegyzendő, hogy a tudományban használt elmélet és törvény kifejezések jelentése némileg eltér a köznyelvben használatos fogalmaktól; az elméletet gyakran hipotézisre használják (“Van egy elméletem…”), míg a törvény egy önkényes korlátozás, amely megszeghető, de lehetséges következményekkel jár (mint például a sebességkorlátozás). A tudomány itt is másképp használja ezeket a kifejezéseket, és fontos, hogy a megfelelő definícióikat alkalmazzuk, amikor ezeket a szavakat a tudományban használjuk.