1.3: Науковий метод

Last updated

Oct 29, 2022
Save as PDF
- 1.2: Застосування хімії
- 1.4: Хімія в промисловості

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

Визначити складові наукового методу

Вчені шукають відповіді на питання і рішення проблем за допомогою процедури, яка називається науковим методом. Ця процедура полягає у проведенні спостережень, формулюванні гіпотез та розробці експериментів, які, в свою чергу, призводять до додаткових спостережень, гіпотез та експериментів у повторюваних циклах (рис. $\PageIndex{1}$ ).

Малюнок $\PageIndex{1}$ : Науковий метод. Як зображено на цій блок-схемі, науковий метод полягає у проведенні спостережень, формулюванні гіпотез та розробці експериментів. Вчений може увійти в цикл в будь-який момент.

Спостереження можуть бути якісними або кількісними. Якісні спостереження описують властивості або випадки таким чином, що не покладаються на числа. Приклади якісних спостережень включають наступні: температура зовнішнього повітря в зимову пору року прохолодніше, кухонна сіль - кристалічна тверда речовина, кристали сірки жовті, а розчинення копійки в розведеній азотній кислоті утворює синій розчин і коричневий газ. Кількісні спостереження - це вимірювання, які за визначенням складаються як з числа, так і з одиниці. Прикладами кількісних спостережень можна назвати наступне: температура плавлення кристалічної сірки становить 115,21° C, а 35,9 грама столової солі, хімічна назва якої хлорид натрію, розчиняються в 100 грамах води при 20° C. прикладом кількісного спостереження послужило початкове спостереження, що призвело до сучасного теорія вимирання динозаврів: концентрації іридію в відкладах, що датуються 66 мільйонами років тому, виявилися в 20—160 разів вище норми. Розвиток цієї теорії є хорошим прикладом наукового методу в дії (див. Малюнок $\PageIndex{2}$ нижче).

Вирішивши дізнатися більше про спостереження або набір спостережень, вчені, як правило, починають дослідження, формуючи гіпотезу, попереднє пояснення спостереження (ів). Гіпотеза може бути неправильною, але вона ставить розуміння вченого досліджуваної системи в форму, яку можна перевірити. Наприклад, спостереження, яке ми відчуваємо чергуються періоди світла та темряви, що відповідають спостережуваним рухам сонця, місяця, хмар та тіней, узгоджується з будь-якою з двох гіпотез:

Земля обертається навколо своєї осі кожні 24 години, по черзі піддаючи одну сторону сонцю, або
Сонце обертається навколо Землі кожні 24 години.

Відповідні експерименти можуть бути розроблені для вибору між цими двома альтернативами. Для зникнення динозаврів гіпотеза полягала в тому, що вплив великого позаземного об'єкта викликало їх вимирання. На жаль (або, можливо, на щастя), ця гіпотеза не піддається безпосередньому тестуванню будь-яким очевидним експериментом, але вчені зібрали додаткові дані, які або підтримують, або спростовують її.

Після того як була сформована гіпотеза, вчені проводять експерименти, щоб перевірити її достовірність. Експерименти - це систематичні спостереження або вимірювання, бажано зроблені в контрольованих умовах - тобто в умовах, в яких змінюється одна змінна. Наприклад, у сценарії вимирання динозаврів концентрації іридію вимірювали у всьому світі та порівнювали. Правильно розроблений і виконаний експеримент дозволяє вченому визначити, чи є вихідна гіпотеза дійсною. Експерименти часто демонструють, що гіпотеза невірна або що її потрібно змінити. Потім збираються та аналізуються більше експериментальних даних, і в цей момент вчений може почати думати, що результати є достатньо відтворюваними (тобто надійними), щоб заслуговувати узагальнення в законі, словесному або математичному описі явища, що дозволяє загальне передбачення. Закон просто говорить, що відбувається; він не стосується питання, чому.

Один із прикладів закону, Закон певних пропорцій, який був відкритий французьким вченим Джозефом Прустом (1754—1826), стверджує, що хімічна речовина завжди містить однакові пропорції елементів за масою. При цьому хлорид натрію (кухонна сіль) завжди містить однакову частку по масі натрію до хлору, в цьому випадку 39,34% натрію і 60,66% хлору по масі, а сахарози (столового цукру) завжди 42,11% вуглецю, 6,48% водню і 51,41% кисню по масі. Деякі тверді сполуки строго не підкоряються закону певних пропорцій. Закон певних пропорцій повинен здатися очевидним - ми очікуємо, що склад хлориду натрію буде послідовним - але глава Патентного відомства США не сприймав це як факт до початку 20 століття.

Тоді як закон визначає лише те, що відбувається, теорія намагається пояснити, чому природа поводиться так, як вона робить. Закони навряд чи сильно зміниться з часом, якщо не буде виявлено великої експериментальної помилки. Навпаки, теорія, за визначенням, є неповною і недосконалою, еволюціонуючи з часом, щоб пояснити нові факти в міру їх виявлення. Наприклад, теорія, розроблена для пояснення вимирання динозаврів, полягає в тому, що Земля іноді стикається з астероїдами малого та середнього розміру, і ці зустрічі можуть мати сумні наслідки для подальшого існування більшості видів. Ця теорія аж ніяк не доведена, але вона узгоджується з основною масою доказів, накопичених на сьогоднішній день. Малюнок $\PageIndex{2}$ підсумовує застосування наукового методу в даному випадку.

Малюнок $\PageIndex{2}$ : Короткий зміст того, як науковий метод був використаний при розробці теорії впливу астероїдів для пояснення зникнення динозаврів з Землі

Приклад $\PageIndex{1}$

Класифікуйте кожне твердження як закон, теорію, експеримент, гіпотезу, якісне спостереження або кількісне спостереження.

Лід завжди плаває на рідкій воді.
Птахи еволюціонували з динозаврів.
Гаряче повітря менш щільний, ніж холодне, ймовірно, тому, що компоненти гарячого повітря рухаються швидше.
Коли 10 г льоду додавали до 100 мл води при 25 °С, температура води зменшилася до 15,5 °С після танення льоду.
Інгредієнти мила Ivory були проаналізовані, щоб побачити, чи дійсно воно чисте 99,44%, як рекламувалося.

Наведено: складові наукового методу

Запитано: класифікація заяви

Стратегія: зверніться до визначень у цьому розділі, щоб визначити, яка категорія найкраще описує кожне твердження.

Рішення

Це загальне твердження взаємозв'язку між властивостями рідкої і твердої води, тому це закон.
Це можливе пояснення походження птахів, тому це гіпотеза.
Це твердження, яке намагається пояснити взаємозв'язок між температурою і щільністю повітря на основі фундаментальних принципів, тому це теорія.
Температура вимірюється до і після зміни в системі, тому це кількісні спостереження.
Це аналіз, призначений для перевірки гіпотези (в даному випадку заяви виробника про чистоту), тому це експеримент.

Вправа $\PageIndex{1}$

Виміряні кількості кислоти були додані до таблетки Ролаїда, щоб побачити, чи дійсно вона «споживає 47 разів більше ваги в надлишку шлункової кислоти».
Тепло завжди надходить від гарячих предметів до більш холодним, а не в зворотному напрямку.
Всесвіт утворився масовим вибухом, який перемістив речовину у вакуум.
Майкл Джордан - найбільший чистий шутер коли-небудь грати в професійний баскетбол.
Вапняк відносно нерозчинний у воді, але легко розчиняється в розведеній кислоті з виділенням газу.
Газові суміші, що містять більше 4% водню в повітрі, потенційно вибухонебезпечні.

Відповідь на: експеримент
Відповідь б: закон
Відповідь c: теорія
Відповідь d: гіпотези
Відповідь e: якісне спостереження
Відповідь f: кількісне спостереження

Оскільки вчені можуть увійти в цикл, показаний $\PageIndex{1}$ на малюнку, в будь-який момент, фактичне застосування наукового методу до різних тем може приймати різні форми. Наприклад, вчений може почати з гіпотези, сформованої читанням про роботу, виконану іншими в цій галузі, а не з прямих спостережень.

Важливо пам'ятати, що вчені мають схильність формулювати гіпотези звичними термінами просто тому, що важко запропонувати те, з чим раніше ніколи не зустрічалося і не уявлялося. В результаті вчені іноді знижують або не помічають несподівані висновки, які не згодні з основними припущеннями, що стоять за гіпотезою або теорією, що перевіряється. На щастя, дійсно важливі висновки відразу підлягають незалежній перевірці вченими в інших лабораторіях, тому наука - це самокоригуюча дисципліна. Коли альварези спочатку припустили, що позаземний вплив викликало вимирання динозаврів, відповідь була майже загальним скептицизмом і презирством. Однак лише за 20 років переконливий характер доказів подолав скептицизм багатьох вчених, і їх початкова гіпотеза тепер перетворилася на теорію, яка зробила революцію в палеонтології та геології.

Резюме

Хіміки розширюють свої знання, роблячи спостереження, проводячи експерименти та перевіряючи гіпотези для розробки законів для узагальнення своїх результатів та теорій для їх пояснення. При цьому вони використовують науковий метод.

Фундаментальні визначення в хімії: https://youtu.be/SBwjbkFNkdw