Inleidende scheikunde – 1e Canadese editie

Scheikunde is een tak van de wetenschap. Hoewel wetenschap zelf moeilijk exact te definiëren is, kan de volgende definitie als uitgangspunt dienen. Wetenschap is het proces van kennisvergaring over het natuurlijke universum door waarneming en experiment. Wetenschap is niet het enige proces van weten (de oude Grieken zaten bijvoorbeeld gewoon te denken), maar het heeft zich in meer dan 350 jaar ontwikkeld tot het beste proces dat de mensheid tot nu toe heeft bedacht om meer te weten te komen over het universum om ons heen.

Het proces van de wetenschap wordt meestal aangeduid als de wetenschappelijke methode, die nogal naïef als volgt wordt beschreven: (1) stel een hypothese, (2) test de hypothese, en (3) verfijn de hypothese. In werkelijkheid is het proces echter niet zo eenvoudig. (Ik ga bijvoorbeeld niet elke dag mijn laboratorium binnen en roep uit: “Ik ga vandaag een hypothese stellen en die de hele dag testen!) Het proces is niet zo eenvoudig omdat de wetenschap en de wetenschappers een corpus van kennis hebben waarvan reeds is vastgesteld dat het afkomstig is van het hoogste niveau van begrip, en de meeste wetenschappers bouwen voort op dat corpus van kennis.

Een gefundeerde gok over hoe het natuurlijke universum werkt, wordt een hypothese genoemd. Een wetenschapper die weet hoe een deel van het natuurlijke universum werkt – zeg, een chemicus – is geïnteresseerd in het vergroten van die kennis. Die persoon doet een redelijke gok – een hypothese – om te zien of het universum ook op een nieuwe manier werkt. Hier volgt een voorbeeld van een hypothese: “Als ik één deel waterstof met één deel zuurstof meng, kan ik een stof maken die beide elementen bevat.”

De meeste goede hypothesen zijn gebaseerd op eerder begrepen kennis en vormen een toetsbare uitbreiding van die kennis. De wetenschapper bedenkt dan manieren om te testen of die veronderstelling al dan niet juist is. Dat wil zeggen, de wetenschapper plant experimenten. Experimenten zijn testen van het natuurlijke universum om te zien of een gok (hypothese) juist is. Een experiment om onze vorige hypothese te testen zou zijn om waterstof en zuurstof te mengen en te zien wat er gebeurt. De meeste experimenten omvatten waarnemingen van kleine, welomschreven delen van het natuurlijke universum, bedoeld om de resultaten van de experimenten te zien.

Waarom moeten we experimenten doen? Waarom moeten we testen? Omdat het natuurlijke universum niet altijd zo duidelijk is, zijn experimenten noodzakelijk. Het is bijvoorbeeld vrij duidelijk dat als je een voorwerp van een hoogte laat vallen, het zal vallen. Enkele honderden jaren geleden (toevallig dicht bij het ontstaan van de moderne wetenschap), verklaarde het concept van de zwaartekracht deze proef. Maar is het vanzelfsprekend dat het hele natuurlijke universum is opgebouwd uit slechts ongeveer 115 fundamentele chemische bouwstenen die elementen worden genoemd? Dit zou niet waar lijken als je naar de wereld om je heen keek en alle verschillende vormen zag die materie kan aannemen. In feite is het concept van het element slechts ongeveer 200 jaar oud, en het laatste in de natuur voorkomende element werd ongeveer 80 jaar geleden geïdentificeerd. Het heeft tientallen jaren van proeven en miljoenen experimenten gekost om vast te stellen wat de elementen nu eigenlijk zijn. Dit zijn slechts twee voorbeelden; er zijn ontelbare van dergelijke voorbeelden in de chemie en de wetenschap in het algemeen.

Wanneer voldoende bewijsmateriaal is verzameld om een algemeen principe vast te stellen van hoe het natuurlijke universum werkt, wordt het bewijsmateriaal samengevat in een theorie. Een theorie is een algemene verklaring die een groot aantal waarnemingen verklaart. “Alle materie bestaat uit atomen” is een algemene verklaring, een theorie, die een groot aantal waarnemingen in de scheikunde verklaart. Een theorie is een zeer krachtige verklaring in de wetenschap. Er zijn veel verklaringen die in de wetenschap worden aangeduid als “de theorie van _______” of de “______ theorie” (waarbij de spaties een woord of concept voorstellen). Wanneer theorieën op deze manier worden geschreven, geven ze aan dat de wetenschap een overweldigende hoeveelheid bewijs heeft voor hun juistheid. We zullen in de loop van deze tekst verschillende theorieën tegenkomen.

Een specifieke uitspraak waarvan men denkt dat deze nooit door het gehele natuurlijke universum zal worden geschonden, wordt een wet genoemd. Een wetenschappelijke wet is het hoogste begrip van het natuurlijke universum dat de wetenschap heeft en wordt geacht onaantastbaar te zijn. Bijvoorbeeld, het feit dat alle materie alle andere materie aantrekt – de wet van de gravitatie – is zo’n wet. Merk op dat de termen theorie en wet in de wetenschap een enigszins andere betekenis hebben dan in het gewone spraakgebruik; theorie wordt vaak gebruikt om een hypothese aan te duiden (“Ik heb een theorie…”), terwijl een wet een arbitraire beperking is die kan worden overtreden, maar met mogelijke gevolgen (zoals snelheidsbeperkingen). Ook hier gebruikt de wetenschap deze termen op een andere manier, en het is belangrijk hun juiste definities toe te passen wanneer je deze woorden in de wetenschap gebruikt.