Chimica introduttiva – Prima edizione canadese

La chimica è una branca della scienza. Sebbene la scienza stessa sia difficile da definire esattamente, la seguente definizione può servire come punto di partenza. La scienza è il processo di conoscenza dell’universo naturale attraverso l’osservazione e l’esperimento. La scienza non è l’unico processo di conoscenza (ad esempio, gli antichi greci semplicemente sedevano e pensavano), ma si è evoluta nel corso di più di 350 anni nel miglior processo che l’umanità ha escogitato fino ad oggi per conoscere l’universo che ci circonda.

Il processo della scienza è solitamente dichiarato come il metodo scientifico, che è piuttosto ingenuamente descritto come segue: (1) formulare un’ipotesi, (2) testare l’ipotesi e (3) perfezionare l’ipotesi. In realtà, però, il processo non è così semplice. (Per esempio, io non vado ogni giorno nel mio laboratorio ed esclamo: “Oggi formulerò un’ipotesi e passerò la giornata a testarla!) Il processo non è così semplice perché la scienza e gli scienziati hanno un corpo di conoscenza che è già stato identificato come proveniente dal più alto livello di comprensione, e la maggior parte degli scienziati costruisce da quel corpo di conoscenza.

Un’ipotesi educata su come funziona l’universo naturale è chiamata ipotesi. Uno scienziato che ha familiarità con il funzionamento di una parte dell’universo naturale – ad esempio, un chimico – è interessato ad approfondire la conoscenza. Questa persona fa una congettura ragionevole – un’ipotesi – che è progettata per vedere se l’universo funziona anche in un modo nuovo. Ecco un esempio di ipotesi: “se mescolo una parte di idrogeno con una parte di ossigeno, posso fare una sostanza che contiene entrambi gli elementi.”

La maggior parte delle buone ipotesi sono basate su una conoscenza precedentemente compresa e rappresentano un’estensione testabile di quella conoscenza. Lo scienziato poi escogita modi per testare se quell’ipotesi è o non è corretta. Cioè, lo scienziato progetta esperimenti. Gli esperimenti sono prove dell’universo naturale per vedere se una supposizione (ipotesi) è corretta. Un esperimento per verificare la nostra precedente ipotesi sarebbe mescolare realmente idrogeno e ossigeno e vedere cosa succede. La maggior parte degli esperimenti include osservazioni di piccole parti ben definite dell’universo naturale, progettate per vedere i risultati degli esperimenti.

Perché dobbiamo fare esperimenti? Perché dobbiamo fare esperimenti? Perché l’universo naturale non è sempre così ovvio, gli esperimenti sono necessari. Per esempio, è abbastanza ovvio che se si lascia cadere un oggetto da un’altezza, questo cadrà. Diverse centinaia di anni fa (per coincidenza, vicino all’inizio della scienza moderna), il concetto di gravità spiegava questa prova. Tuttavia, è ovvio che l’intero universo naturale è composto solo da circa 115 blocchi chimici fondamentali chiamati elementi? Questo non sembrerebbe vero se guardaste il mondo intorno a voi e vedeste tutte le diverse forme che la materia può assumere. Infatti, il concetto di elemento ha solo circa 200 anni, e l’ultimo elemento naturale è stato identificato circa 80 anni fa. Ci sono voluti decenni di test e milioni di esperimenti per stabilire cosa sono effettivamente gli elementi. Questi sono solo due esempi; una miriade di questi esempi esiste nella chimica e nella scienza in generale.

Quando sono state raccolte abbastanza prove per stabilire un principio generale su come funziona l’universo naturale, le prove vengono riassunte in una teoria. Una teoria è un’affermazione generale che spiega un gran numero di osservazioni. “Tutta la materia è composta da atomi” è un’affermazione generale, una teoria, che spiega molte osservazioni in chimica. Una teoria è un’affermazione molto potente nella scienza. Ci sono molte affermazioni riferite come “la teoria di _______” o la “teoria ______” nella scienza (dove gli spazi vuoti rappresentano una parola o un concetto). Quando sono scritte in questo modo, le teorie indicano che la scienza ha una quantità schiacciante di prove della sua correttezza. Vedremo diverse teorie nel corso di questo testo.

Un’affermazione specifica che si pensa non sia mai violata dall’intero universo naturale è chiamata legge. Una legge scientifica è la più alta comprensione dell’universo naturale che la scienza ha ed è ritenuta inviolata. Per esempio, il fatto che tutta la materia attrae tutta l’altra materia – la legge di gravitazione – è una di queste leggi. Si noti che i termini teoria e legge usati nella scienza hanno significati leggermente diversi da quelli dell’uso comune; teoria è spesso usata per significare ipotesi (“Ho una teoria…”), mentre una legge è una limitazione arbitraria che può essere violata ma con potenziali conseguenze (come i limiti di velocità). Anche qui, la scienza usa questi termini in modo diverso, ed è importante applicare le loro definizioni appropriate quando si usano queste parole nella scienza.