1.3: Вивчення хімії

Мета навчання

• Дізнайтеся, що таке наука і як вона працює.

Хімія є галуззю науки. Хоча саму науку важко точно визначити, наступне визначення може служити відправною точкою. Наука - це процес пізнання про природний Всесвіт через спостереження та експеримент. Наука - це не єдиний процес пізнання (наприклад, стародавні греки просто сиділи і думали), але вона протягом більш ніж 350 років перетворилася на найкращий процес, який людство створило на сьогоднішній день, щоб дізнатися про всесвіт навколо нас.

Процес науки зазвичай викладається як науковий метод, який досить наївно описується наступним чином:

1. викласти гіпотезу,
2. перевірити гіпотезу, і
3. уточнювати гіпотезу

Насправді процес не такий простий. (Наприклад, вчений не заходить у свою лабораторію щодня і вигукує: «Я збираюся сьогодні висловити гіпотезу і витратити день, перевіряючи її!») Процес не такий простий, оскільки наука та вчені мають масу знань, які вже були визначені як походять з найвищого рівня розуміння, і більшість вчених будують з цього зведення знань.

Освічена здогадка про те, як працює природний Всесвіт, називається гіпотезою. Вчений, який знайомий з тим, як працює частина природного Всесвіту - скажімо, хімік - зацікавлений у просуванні цих знань. Ця людина робить розумну здогаду - гіпотезу - яка призначена для того, щоб побачити, чи працює Всесвіт по-новому. Ось приклад гіпотези: «якщо я змішаю одну частину водню з однією частиною кисню, я можу зробити речовину, яка містить обидва елементи».

Щоб гіпотезу називали науковою гіпотезою, вона повинна бути чимось, що можна підтримати або спростувати за допомогою ретельно розроблених експериментів чи спостережень.

Більшість хороших гіпотез ґрунтуються на раніше зрозумілих знаннях і являють собою перевірене розширення цих знань. Потім вчений розробляє способи перевірити, чи є ця гіпотеза правильною чи ні. Тобто вчений планує експерименти. Експерименти - це випробування природного Всесвіту, щоб побачити, чи є припущення (гіпотеза) правильним. Експеримент для перевірки нашої попередньої гіпотези полягав би в тому, щоб насправді змішати водень і кисень і подивитися, що станеться. Більшість експериментів включають спостереження малих, чітко визначених частин природного Всесвіту, покликаних побачити результати експериментів.

Наукова гіпотеза

Гіпотеза часто пишеться у вигляді заяви if/then, що дає можливість (якщо) і пояснює, що може статися через можливість (тоді). Наприклад, якщо поїдання елементарної сірки відлякує кліщів, то той, хто щодня поїдає сірку, кліщів не отримає.

Навіщо нам робити експерименти? Чому ми повинні тестувати? Оскільки природний Всесвіт не завжди настільки очевидний, експерименти необхідні. Наприклад, досить очевидно, що якщо скинути предмет з висоти, він впаде. Кілька сотень років тому (за збігом обставин, недалеко від зародження сучасної науки) поняття гравітації пояснювало це випробування. Однак чи очевидно, що вся природна всесвіт складається лише з близько 115 фундаментальних хімічних будівельних блоків, які називаються елементами? Це не здавалося б правдою, якби ви подивилися на навколишній світ і побачили всі різні форми матерії. Насправді поняття елемента налічує всього близько 200 років, а останній природний елемент був ідентифікований близько 80 років тому. Знадобилися десятиліття тестів і мільйони експериментів, щоб встановити, якими є елементи насправді. Це лише два приклади; безліч таких прикладів існує в хімії та науці загалом.

Коли було зібрано достатньо доказів, щоб встановити загальний принцип роботи природного Всесвіту, докази узагальнюються в теорії. Теорія - це загальне твердження, яке пояснює велику кількість спостережень. «Вся матерія складається з атомів» - це загальне твердження, теорія, яка пояснює багато спостережень в хімії. Теорія - це дуже потужне твердження в науці. Є багато тверджень, які називають «теорією _______» або «теорією ______» в науці (де пробіли представляють слово або поняття). При написанні таким чином теорії вказують на те, що наука має переважну кількість доказів її правильності. Ми побачимо кілька теорій в ході цього тексту.

Конкретне твердження, яке, як вважають, ніколи не порушується всією природною всесвітом, називається законом. Науковий закон є найвищим розумінням природного Всесвіту, що наука має і вважається непорушним. Той факт, що уся матерія приваблює усю іншу речову—закон гравітації—є одним із таких законів. Зауважте, що терміни теорія та право, що використовуються в науці, мають дещо відмінне значення від тих, що використовуються в загальному вживанні; де теорія часто використовується для означати гіпотезу («У мене є теорія...»), а закон - це довільне обмеження, яке може бути порушено, але з потенційними наслідками (наприклад, швидкістю ліміти). Тут знову ж таки, наука використовує ці терміни по-різному, і важливо застосовувати їх належні визначення, коли ви використовуєте ці слова в науці. (Малюнок\(\PageIndex{1}\))

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Визначення закону. Чи означає це графіті «закон», яким наука визначає «закон»? (CC BY-SA-NC-ND; Коппенбарсук).

Є додаткова фраза в нашому визначенні науки: «природний Всесвіт». Наука стосується тільки природного Всесвіту. Що таке природний Всесвіт? Це все, що відбувається навколо нас, ну, природно. Зірки, планети, поява життя на землі; а також як тварини, рослини та інша матерія функціонують є частиною природного Всесвіту. Наука стурбована тим і тільки цим.

Звичайно, є й інші речі, які нас хвилюють. Наприклад, англійська мова є частиною науки? Більшість з нас може легко відповісти «ні»; англійська - це не наука. Англійська мова, безумовно, варто знати (принаймні для людей в переважно англомовних країнах), але чому це не наука? Англійська, або будь-яка людська мова, не є наукою, тому що в кінцевому підсумку вона надумана; вона складається. Подумайте про це: слово, написане b-l-u-e, являє собою певний колір, і ми всі погоджуємося, що це за колір. Але що робити, якщо ми використали слово h-a-r-d для опису цього кольору? (Малюнок\(\PageIndex{2}\)) Це було б добре - до тих пір, поки всі погодилися. Кожен, хто вивчив другу мову, спочатку повинен задатися питанням, чому певне слово використовується для опису певної концепції; врешті-решт, носії цієї мови погодилися, що певне слово буде представляти певне поняття. Це було надумано.

Це не означає, що мова не варто знати. Це дуже важливо в суспільстві. Але це не наука. Наука займається тільки тим, що відбувається природним шляхом.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Англійська мова не є наукою. Як би ви описали цей колір? Синій або жорсткий? У будь-якому випадку, ви не займаєтеся наукою.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Identifying Science

Яка з наступних галузей буде вважатися наукою?

1. геологія, вивчення землі
2. етика, вивчення моралі
3. політологія, вивчення управління
4. біологія, вивчення живих організмів

Рішення

1. Оскільки земля є природним об'єктом, вивчення її дійсно вважається частиною науки.
2. Етика - це галузь філософії, яка займається правильним і неправильним. Хоча це корисні поняття, вони не є наукою.
3. Існує багато форм правління, але всі створені людьми. Незважаючи на те, що слово наука фігурує в його назві, політологія не є істинною наукою.
4. Живі організми є частиною природного Всесвіту, тому вивчення їх є частиною науки.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Що є частиною науки, а яка ні?

1. динаміка, вивчення систем, що змінюються з плином часу
2. естетика, поняття краси

Відповідь A

наука

Відповідь B

не наука

Область науки стала настільки великою, що прийнято розділяти її на більш конкретні галузі. По-перше, є математика, мова науки. Усі наукові галузі використовують математику для самовираження - деякі більше, ніж інші. Фізика та астрономія - це наукові галузі, пов'язані з фундаментальними взаємодіями між речовиною та енергією. Хімія, як визначено раніше, - це вивчення взаємодій речовини з іншою речовиною та з енергією. Біологія - це вивчення живих організмів, в той час як геологія - вивчення землі. Інші науки можуть бути названі також. Зрозумійте, що ці поля не завжди повністю окремі; межі між науковими галузями не завжди очевидні. Вчений може бути позначений біохіміком, якщо він або вона вивчає хімію біологічних організмів.

Нарешті, зрозумійте, що наука може бути як якісною, так і кількісною. Якісний має на увазі під собою опис якості того чи іншого об'єкта. Наприклад, фізичні властивості, як правило, якісні описи: сірка жовта, ваша математична книга важка, або ця статуя гарна. Кількісний опис представляє конкретну кількість чогось; це означає знати, скільки чогось присутній, як правило, підраховуючи або вимірюючи його. Деякі кількісні характеристики включають: 25 учнів у класі, 650 сторінок у книзі або швидкість 66 миль на годину. Кількісні вирази дуже важливі в науці; вони також дуже важливі в хімії.

Приклад\(\PageIndex{2}\): qualitative vs. quantitative Descriptions

Визначте кожне твердження як якісний опис або кількісний опис.

1. Золотий метал жовтого кольору.
2. Папір має в ньому 500 аркушів.
3. Погода на вулиці сніжна.
4. Температура на вулиці становить 24 градуси за Фаренгейтом.

Рішення

1. Оскільки ми описуємо фізичну властивість золота, це твердження є якісним.
2. У цьому твердженні згадується конкретна сума, тому вона кількісна.
3. Слово сніжний - це опис того, як проходить день; отже, це якісне твердження.
4. У цьому випадку погода описується з певною величиною - температурою. Тому вона кількісна.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Якісні чи кількісні це твердження?

1. Троянди червоні, а фіалки - блакитні.
2. Чотири бали і сім років тому...

Відповідь A

якісний

Відповідь B

кількісних

Продукти харчування та напої Застосування: Газовані напої

Деякі прості хімічні принципи, розглянуті в цьому розділі, можна проілюструвати газованими напоями: газованими напоями, пивом та ігристими винами. Кожен продукт виробляється по-різному, але всі вони мають одне спільне: це розчини вуглекислого газу, розчиненого у воді.

Вуглекислий газ - це з'єднання, що складається з вуглецю і кисню. У нормальних умовах це газ. Якщо ви охолоджуєте його досить, він стає твердим, відомим як сухий лід. Вуглекислий газ є важливою сполукою в циклі життя на землі.

Незважаючи на те, що це газ, вуглекислий газ може розчинятися у воді, так само, як цукор або сіль можуть розчинятися у воді. Коли це відбувається, ми маємо однорідну суміш або розчин вуглекислого газу у воді. Однак дуже мало вуглекислого газу може розчинятися у воді. Якби в атмосфері був чистий вуглекислий газ, то розчин становив би всього близько 0,07% вуглекислого газу. Насправді в повітрі всього близько 0,03% вуглекислого газу, тому кількість вуглекислого газу у воді зменшується пропорційно.

Однак, коли виробляються газована вода і пиво, виробники роблять дві важливі речі: вони використовують чистий газ вуглекислого газу, і вони використовують його при дуже високому тиску. При більш високих тисках у воді може розчинятися більше вуглекислого газу. Коли сода або пивний контейнер герметичний, високий тиск вуглекислого газу залишається всередині упаковки. (Звичайно, в соді та пиві більше інгредієнтів, крім вуглекислого газу та води.)

Коли ви відкриваєте ємність з газованою водою або пивом, ви чуєте характерне шипіння, коли надлишок вуглекислого газу виходить. Але трапляється і щось інше. Вуглекислий газ в розчині виходить з розчину у вигляді купи крихітних бульбашок. Ці бульбашки надають приємні відчуття в роті, настільки, що содова промисловість продала понад 225 мільярдів порцій соди лише в США в 2009 році.

Деякі ігристі вина виготовляються таким же способом - шляхом змушування вуглекислого газу в звичайне вино. Деякі ігристі вина (включаючи шампанське) виготовляються шляхом запечатування пляшки вина з деякими дріжджами в ній. Дріжджі бродять, процес, за допомогою якого дріжджі перетворюють цукру в енергію та надлишок вуглекислого газу. Вуглекислий газ, що утворюється дріжджами, розчиняється у вині. Потім при відкритті пляшки шампанського виділяється підвищений тиск вуглекислого газу, і напій пузириться так само, як дорогий келих соди.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Газовані напої © Thinkstock. Сода, пиво та ігристе вино користуються властивостями розчину вуглекислого газу у воді.

Сода (зліва), пиво (середина) і ігристе вино (праворуч) зображення поруч один з одним.

Ключові виноси

• Наука - це процес пізнання про природний Всесвіт через спостереження та експеримент.
• Вчені проходять суворий процес визначення нових знань про Всесвіт; цей процес, як правило, називають науковим методом.
• Наука розбита на різні галузі, з яких хімія є однією.
• Наука, в тому числі і хімія, буває і якісною, і кількісною.