§ 2. Методы изучения химии

НАБЛЮДЕНИЕ КАК ПЕРВИЧНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ

• Сущность наблюдения: Химия — экспериментальная наука. Главным первичным методом познания в ней, как и в физике или биологии, является наблюдение — целенаправленная концентрация внимания на познаваемых объектах с целью их всестороннего изучения.
• Разновидности наблюдений в химии:
  • Непосредственное наблюдение — ученик или учёный лично следит за изучаемым веществом, смесью или признаками химической реакции (выделение газа, изменение окраски, выпадение осадка);
  • Опосредованное наблюдение — проводится с использованием промежуточных данных: показаний датчиков, видеозаписей, отчётов одноклассников или сообщений учителя;
  • Кратковременное наблюдение — выполняется за несколько минут непосредственно во время демонстрационного или лабораторного опыта на уроке;
  • Долговременное наблюдение — длится часами, днями или неделями (классический пример: наблюдение за скоростью коррозии железа в воздухе, пресной и солёной воде).

ПЯТЬ ЭТАПОВ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

• Условия правильного научного поиска: Научное наблюдение не должно быть случайным разглядыванием. В химии оно обязательно подчиняется строгой последовательности из пяти шагов:

1. Определение объекта: чётко выбирается конкретное вещество, смесь материалов или химический процесс;
2. Постановка цели: исследователь точно формулирует, на какой вопрос он хочет получить ответ;
3. Выдвижение гипотезы (от греч. hypothesis — основание, предположение): формулируется научное предположение, объясняющее наблюдаемое явление или прогнозирующее результат взаимодействия веществ;
4. Составление плана и проведение химического эксперимента (от лат. experimentum — проба, опыт): разработка методики и практическая проверка гипотезы;
5. Анализ результатов, вывод и отчёт: по итогам опыта подтверждается или опровергается истинность гипотезы и составляется отчёт.

• Химический эксперимент: Это исследование, которое проводят с веществами в строго контролируемых искусственных условиях с целью изучения их свойств и закономерностей превращений.
  • Эксперименты проводятся в специально оборудованных помещениях — химических лабораториях.
  • Ключевое достоинство эксперимента — многократная воспроизводимость: возможность повторить опыт сколько угодно раз в тех же условиях, чтобы исключить случайности и выявить непреложный закон природы.

МОДЕЛИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ХИМИИ

• Необходимость моделирования: Атомы и молекулы веществ слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом, а реальные заводские аппараты громоздки и сложны. Чтобы сделать невидимый микромир понятным, учёные прибегают к моделированию — изучению свойств объектов путём построения и исследования их упрощённых заменителей.
• Химическая модель (от лат. modulus — мера, образец) — это упрощённая копия реального химического объекта или процесса, воспроизводящая его важнейшие характеристики.

• Классификация моделей в химии:
  • Материальные (вещественные) модели: реальные физические трёхмерные конструкции, которые можно взять в руки:
  • Шаростержневые и масштабные модели молекул: кислород ($O_2$), вода ($H_2O$), аммиак ($NH_3$), метан ($CH_4$), углекислый газ ($CO_2$), угарный газ ($CO$), этиловый спирт ($C_2H_5OH$);
  • Модели строения атомов и кристаллических решёток (например, кубическая решётка поваренной соли);
  • Действующие макеты заводских установок и колонн.
  • Знаковые (символьные) модели: абстрактное описание химического мира на языке символов и графики:
  • Символы химических элементов (водород — H, кислород — O, углерод — C, азот — N);
  • Химические формулы ($H_2O$, $CH_4$);
  • Уравнения химических реакций, отображающие реальный химический процесс на бумаге или экране.