1.2: Die wissenschaftliche Methode

Chemie ist eine empirische Wissenschaft. Wissenschaftler stellen oft Fragen, um die Chemie im Alltag zu verstehen und Antworten auf diese Fragen zu suchen. Um dies zu erreichen, befolgen Wissenschaftler eine bestimmte Reihe von Schritten, die zusammen die wissenschaftliche Methode bilden. Bei diesem Ansatz geht es darum, Beobachtungen zu machen, Fragen zu stellen, eine Hypothese zu bilden, Experimente durchzuführen, Ergebnisse zu analysieren und eine Schlussfolgerung zu ziehen.

Beobachtung und Frage

Der erste Schritt der wissenschaftlichen Methode ist die Beobachtung eines Phänomens in der physischen Welt. Als nächstes wird eine Frage gestellt, um dieses Phänomen besser zu verstehen. Die Frage könnte zum Beispiel lauten: „Was gefriert schneller, reines Wasser oder Salzwasser?“

Hypothese

Der nächste Schritt besteht darin, eine Erklärung für die jeweilige Beobachtung zu formulieren. Diese vorläufige Interpretation einer Reihe von Beobachtungen, die als Leitfaden für das Verständnis des beobachteten Phänomens dient, wird als Hypothese bezeichnet. Für die obige Frage könnte die Hypothese lauten, dass die Zugabe von Salz den Gefrierpunkt von reinem Wasser verändert.

Wissenschaftler nutzen häufig frühere Forschungsergebnisse und Literaturrecherche, um mit ihrer Untersuchung zu beginnen und eine Hypothese zu formulieren, die durch Experimente überprüft werden kann. Eine starke Hypothese ist sowohl überprüfbar als auch falsifizierbar. Sie gilt als überprüfbar, wenn ihre Richtigkeit bewiesen werden kann, und als falsifizierbar, wenn sie widerlegt werden kann – in diesem Fall muss der Wissenschaftler die Hypothese ändern oder verwerfen.

Experimentieren

Der dritte Schritt besteht darin, Experimente zu entwerfen und durchzuführen, um die Gültigkeit der Hypothese zu testen. Experimente sind Messungen und Beobachtungen, die unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden. Einige Beobachtungen und Experimente sind qualitativ (beschreiben, wie ein Prozess abläuft), während andere quantitativ sind (etwas über den Prozess messen oder quantifizieren). Um die beschriebene Salzwasser-Hypothese zu testen, kann der Wissenschaftler zwei Gläser mit der gleichen Mengen Wasser bei Raumtemperatur nehmen in eines der Gläser einen Löffel Salz geben und beide Gläser in den Gefrierschrank stellen. Der Zustand des Wassers in jedem Glas kann alle 15 Minuten beobachtet und die Zeit aufgezeichnet werden, die jedes Glas Wasser benötigt, um vollständig zu frieren.

Das experimentelle Design ist ein entscheidender Schritt in der wissenschaftlichen Methode. Es sollte darauf geachtet werden, die Anzahl der variablen Faktoren zu kontrollieren, damit die Wirkung eines bestimmten Faktors bestimmt werden kann.

Ergebnisanalyse und Schlussfolgerung

Der nächste Schritt besteht darin, die Ergebnisse der Experimente zu analysieren und festzustellen, ob diese Ergebnisse die Hypothese bestätigen oder nicht. Wenn die Schlussfolgerung lautet, dass dies der Fall ist, wird die Hypothese akzeptiert und möglicherweise weiteren Experimenten unterzogen, um neue Fragen zu beantworten. Wenn sich herausstellt, dass eine Hypothese falsch ist, kann eine neue Hypothese vorgeschlagen werden, und der Prozess wird fortgesetzt.

Im Salzwasser-Beispiel deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Salzwasser länger zum Gefrieren braucht als normales Wasser. Dies lässt den Schluss zu, dass Wasser mit Salz langsamer gefriert als normales Wasser. Somit bestätigen die Ergebnisse die Hypothese.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 1.1: The Scientific Method.

Die wissenschaftliche Methode ist ein systematischer Ansatz, dem alle wissenschaftlichen Disziplinen folgen. Es besteht aus sechs Hauptschritten eine Beobachtung machen, eine Frage stellen, eine Hypothese aufstellen, Experimente durchführen, Daten interpretieren, und schließlich eine Schlussfolgerung ableiten. Die wissenschaftliche Methode beginnt mit einer Beobachtung und einer Frage, um diese Beobachtung verstehen zu können.

Zum Beispiel, der französische Chemiker Antoine Lavoisier beobachtete die Phänomene der Verbrennung. Er formulierte eine Frage, umzu verstehen, was beim Verbrennen von Materien geschieht. Wohin geht die Materie?

Der dritte Schritt in der wissenschaftlichen Methode ist eine Hypothese aufzubauen eine vorläufige Erklärung für die fragliche Beobachtung, die getestet werden kann. Als Antwort auf seine Frage:Wohin geht die Materie? vermutete Lavoiser, dass bei einer chemischen Reaktion die Materie weder erzeugt noch vernichtet werden kann.

Eine gute Hypothese ist auch überprüfbar und falsifizierbar. Eine überprüfbare Hypothese ist solche Hypothese, die Prognosen macht, die durch Experimente oder durch Beobachtungen bestätigt werden können. Sie ist falsifizierbar, wenn sie durch Experimente widerlegt werden kann.

Der vierte Schritt in der wissenschaftlichen Methode ist das Experimentieren und die Datenerfassung. Experimente sind Beobachtungen oder Messungen, die unter kontrollierten Bedingungen wie Temperatur, Druck oder Volumen durchgeführt werden. In diesem Schritt wird untersucht, wie gut die reale Welt mit der von der Hypothese vorhergesagten Welt übereinstimmt.

Manche Experimente und Beobachtungen sind qualitativ sie beschreiben wie ein Prozess abläuft. Andere sind quantitativ sie messen oder quantifizieren etwas über den Prozess. Lavoisier prüfte seine Hypothese, indem er Quecksilber in einer geschlossenen Umgebung erhitzte.

Dies führte zur Bildung einer rötlichen Substanz. Seine Experimente waren quantitativ, dass heißt er erfasste sorgfältig die Masse der Reaktanten und der Produkte im geschlossenen System als auch separat. Der fünfte Schritt ist die Deutung und Analyse von Daten also eine Bewertung, ob die Ergebnisse die Hypothese unterstützen oder widerlegen und ob weitere Experimente erforderlich sind.

Lavoisier beobachtete, dass die Gesamtmasse des Glases und dessen Inhalts vor und nach der Reaktion gleich blieb, obwohl die Masse der roten Substanz größer war als die Masse des ursprünglichen Quecksilbers. Der letzte Schritt besteht darin, eine logische Schlussfolgerung zu ziehen und zu entscheiden, ob die Hypothese anzunehmen oder zu verwerfen ist. Wenn die Ergebnisse die Hypothese bestätigen, wird diese angenommen.

Man kann sie auch weiteren Tests unterziehen oder durch neue Fragen und der Durchführung von neuen Experimenten verfeinern. Aus seinen Experimenten schloss Lavoisier, da die Gesamtmasse des Behälters während der Reaktion unverändert blieb, dass der Sauerstoff im Behälter in Kombination mit dem Quecksilber ein neues Produkt bildete, welches jetzt als Quecksilber-Oxid bekannt ist. Diese Schlussfolgerung unterstützte seine Hypothese von der Erhaltung der Masse dass die Gesamtmasse der Gegenstände während des Brennvorgangs unverändert bleibt.

Wenn eine Hypothese jedoch widerlegt wird, dann können die Wissenschaftler eine neue Hypothese formulieren indem sie sich an den fehlgeschlagenen Experimenten orientieren und neu beginnen. Auch wenn wir die wissenschaftliche Methode als eine Reihe von Schritten betrachten, können neue Informationen oder Ideen einen Wissenschaftler veranlassen, die Schritte zu jedem Zeitpunkt des Prozesses zu sichern und zu wiederholen. Die wissenschaftliche Methode ist also ein iterativer Prozess.