Chemia wprowadzająca – 1. wydanie kanadyjskie

Chemia jest gałęzią nauki. Chociaż nauka sama w sobie jest trudna do dokładnego zdefiniowania, poniższa definicja może służyć jako punkt wyjścia. Nauka jest procesem poznawania naturalnego wszechświata poprzez obserwację i eksperyment. Nauka nie jest jedynym procesem poznania (np. starożytni Grecy po prostu siedzieli i myśleli), ale rozwinęła się przez ponad 350 lat w najlepszy proces, który ludzkość wymyśliła do tej pory, aby dowiedzieć się o wszechświecie wokół nas.

Proces nauki jest zwykle określany jako metoda naukowa, która jest raczej naiwnie opisana w następujący sposób: (1) postawić hipotezę, (2) przetestować hipotezę, i (3) udoskonalić hipotezę. W rzeczywistości jednak proces ten nie jest aż tak prosty. (Na przykład, nie wchodzę codziennie do mojego laboratorium i nie mówię: „Dziś postawię hipotezę i spędzę cały dzień na jej testowaniu!”). Proces nie jest tak prosty, ponieważ nauka i naukowcy mają ciało wiedzy, które już zostało zidentyfikowane jako pochodzące z najwyższego poziomu zrozumienia, a większość naukowców buduje z tego ciała wiedzy.

Wyedukowane przypuszczenie na temat tego, jak działa naturalny wszechświat, nazywane jest hipotezą. Naukowiec, który jest zaznajomiony z tym, jak część naturalnego wszechświata działa – na przykład chemik – jest zainteresowany pogłębianiem tej wiedzy. Taka osoba wysuwa rozsądne przypuszczenie – hipotezę – której celem jest sprawdzenie, czy wszechświat działa również w nowy sposób. Oto przykład hipotezy: „Jeśli zmieszam jedną część wodoru z jedną częścią tlenu, mogę stworzyć substancję, która zawiera oba pierwiastki.”

Większość dobrych hipotez opiera się na wcześniej zrozumianej wiedzy i stanowi testowalne rozszerzenie tej wiedzy. Naukowiec następnie opracowuje sposoby testowania, czy to przypuszczenie jest lub nie jest poprawne. To znaczy, naukowiec planuje eksperymenty. Eksperymenty są testami naturalnego wszechświata w celu sprawdzenia, czy przypuszczenie (hipoteza) jest poprawne. Eksperymentem sprawdzającym naszą poprzednią hipotezę byłoby faktyczne zmieszanie wodoru z tlenem i sprawdzenie, co się stanie. Większość eksperymentów obejmuje obserwacje małych, dobrze zdefiniowanych części naturalnego wszechświata zaprojektowanych, aby zobaczyć wyniki eksperymentów.

Dlaczego musimy robić eksperymenty? Dlaczego musimy testować? Ponieważ naturalny wszechświat nie zawsze jest tak oczywiste, eksperymenty są konieczne. Na przykład, jest dość oczywiste, że jeśli upuścisz przedmiot z wysokości, to spadnie. Kilkaset lat temu (przypadkowo, w pobliżu początków nowoczesnej nauki), koncepcja grawitacji wyjaśniła ten test. Czy jednak jest oczywiste, że cały naturalny wszechświat składa się tylko z około 115 podstawowych chemicznych bloków budulcowych zwanych pierwiastkami? Nie wydawałoby się to prawdą, gdybyś spojrzał na otaczający cię świat i zobaczył wszystkie różne formy, jakie może przybierać materia. W rzeczywistości pojęcie pierwiastka ma zaledwie około 200 lat, a ostatni naturalnie występujący pierwiastek został zidentyfikowany około 80 lat temu. Potrzeba było dziesięcioleci badań i milionów eksperymentów, aby ustalić, czym tak naprawdę są pierwiastki. Są to tylko dwa przykłady; niezliczona ilość takich przykładów istnieje w chemii i nauce w ogóle.

Gdy zebrano wystarczającą ilość dowodów, aby ustalić ogólną zasadę działania naturalnego wszechświata, dowody te podsumowuje się w teorii. Teoria jest ogólnym stwierdzeniem, które wyjaśnia dużą liczbę obserwacji. „Cała materia składa się z atomów” jest ogólnym stwierdzeniem, teorią, która wyjaśnia wiele obserwacji w chemii. Teoria jest bardzo mocnym stwierdzeniem w nauce. W nauce istnieje wiele stwierdzeń określanych jako „teoria _______” lub „teoria ______” (gdzie puste miejsca oznaczają słowo lub pojęcie). Teorie, pisane w ten sposób, wskazują, że nauka posiada przytłaczającą ilość dowodów na ich poprawność. Zobaczymy kilka teorii w trakcie tego text.

Szczególne stwierdzenie, które jest uważane za nigdy nie naruszone przez cały naturalny wszechświat nazywa się prawo. Prawo naukowe jest najwyższe zrozumienie naturalnego wszechświata, że nauka ma i uważa się za nienaruszalne. Na przykład fakt, że wszelka materia przyciąga wszelką inną materię – prawo grawitacji – jest jednym z takich praw. Zauważ, że terminy teoria i prawo używane w nauce mają nieco inne znaczenie niż te w potocznym użyciu; teoria jest często używana w znaczeniu hipotezy („Mam teorię…”), podczas gdy prawo jest arbitralnym ograniczeniem, które może być złamane, ale z potencjalnymi konsekwencjami (takimi jak ograniczenia prędkości). Również w tym przypadku nauka używa tych terminów inaczej i ważne jest, aby stosować ich właściwe definicje, gdy używamy tych słów w nauce.