1.2: Il metodo scientifico

La chimica è una scienza empirica. Gli scienziati spesso pongono domande per comprendere la chimica nella vita di tutti i giorni e cercano risposte a queste domande. Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati seguono una serie definitiva di passaggi che insieme costituiscono il Metodo Scientifico. Questo approccio implica il fare osservazioni, porre domande, costruire ipotesi, condurre esperimenti, analizzare i risultati e giungere a una conclusione.

Osservazione e domanda

Il primo passo nel metodo scientifico è osservare un fenomeno nel mondo fisico. Successivamente, viene posta una domanda per comprendere meglio quel fenomeno. Ad esempio, la domanda potrebbe essere: “Cosa congela più velocemente, l’acqua normale o l’acqua con aggiunta di sale?”

Ipotesi

Il passo successivo è quello di formulare una spiegazione per quella particolare osservazione. Questo tentativo di interpretazione di un insieme di osservazioni che funge da guida per comprendere il fenomeno osservato viene chiamato ipotesi. Ad esempio, per la domanda precedente, un’ipotesi potrebbe suggerire che l’aggiunta di sale alteri il punto di congelamento dell’acqua normale.

Gli scienziati spesso utilizzano ricerche e letteratura precedenti per iniziare le loro indagini e formulare un'ipotesi che potrebbe essere verificata attraverso esperimenti. Un’ipotesi forte è sia verificabile che falsificabile. È considerata verificabile se può essere dimostrata corretta e falsificabile se può essere smentita: in questo caso lo scienziato deve modificare o scartare l'ipotesi.

Sperimentazione

Il terzo passo consiste nel progettare e condurre esperimenti per verificare la validità dell'ipotesi. Gli esperimenti sono misurazioni e osservazioni effettuate in condizioni controllate. Alcune osservazioni ed esperimenti sono qualitativi (descrivono come avviene un processo), mentre molti sono quantitativi (misurano o quantificano qualcosa riguardo al processo). Per verificare l'ipotesi dell'acqua salata, lo scienziato può prendere due bicchieri con la stessa quantità di acqua, a temperatura ambiente, e aggiungere un cucchiaio di sale a uno dei bicchieri per poi riporli entrambi nel congelatore. Lo stato dell'acqua in ogni bicchiere può essere osservato ogni 15 minuti e si può calcolare il tempo impiegato da ogni bicchiere d'acqua per congelarsi completamente.

Il disegno sperimentale è un passaggio fondamentale del metodo scientifico. È necessario prestare attenzione nel controllare il numero di fattori variabili in modo da poter monitorare l'effetto di un fattore specifico in questione.

Analisi dei Risultati e Conclusione

Il passo successivo è analizzare i risultati degli esperimenti e concludere se questi risultati convalidano o meno l'ipotesi. Se la conclusione è positiva, allora l’ipotesi viene accettata e potrebbe essere sottoposta a ulteriori sperimentazioni per rispondere a nuove domande. Quando un’ipotesi viene smentita, se ne può proporre una nuova e il processo continua.

Nell’esempio dell’acqua salata, i risultati indicano che l’acqua salata impiega più tempo a congelarsi rispetto all’acqua normale. Ciò fornisce la conclusione che l’acqua salata si congela a una velocità più lenta rispetto all’acqua semplice. Pertanto, i risultati convalidano l’ipotesi.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 1.1: Il Metodo Scientifico.

Il metodo scientifico è un approccio sistematico seguito da tutte le discipline scientifiche. Il metodo segue sei passaggi principali:fare un'osservazione, porre una domanda, costruire un'ipotesi, condurre esperimenti, interpretare i dati e, infine, derivarne una conclusione. Il metodo scientifico inizia con un'osservazione e una domanda per aiutare a capire quell'osservazione.

Per esempio, il chimico francese Antoine Lavoisier osservò i fenomeni di combustione. Formulò quindi una domanda per comprendere cosa succede quando qualcosa viene bruciato. Dove va la materia?

Il terzo passaggio del metodo scientifico è costruire un'ipotesi:un tentativo di spiegazione per l'osservazione in questione che vuole essere testata. Per rispondere alla domanda Dove va a finire la materia? Lavoisier ipotizzò che in una reazione chimica, la materia non venisse né creata, né distrutta.

Una buona ipotesi è anche verificabile o falsificabile. Un'ipotesi verificabile è quella che fa previsioni che possono essere confermate da sperimentazioni o osservazioni ripetute nel tempo. Un'ipotesi è falsificabile quando può essere confutata con la sperimentazione.

Il quarto passaggio nel metodo scientifico è la sperimentazione e la raccolta dei dati. Gli esperimenti sono osservazioni o misurazioni condotte in ambienti controllati, come temperatura, pressione o volume. Questo passaggio indaga in quale misura il mondo reale si adatti a quello previsto dall'ipotesi.

Alcuni esperimenti e osservazioni sono qualitativi:descrivono quindi come avviene un processo. Altri sono quantitativi:misurano o quantificano qualcosa riguardo al processo. Lavoisier verificò la sua ipotesi riscaldando il mercurio in un ambiente chiuso.

Questo portò alla formazione di una sostanza rossastra. Essendo i suoi esperimenti quantitativi, lo scienziato registrò attentamente la massa dei reagenti e dei prodotti sia nel sistema chiuso che separatamente. Il quinto passaggio è l'interpretazione e l'analisi dei dati:valutare se i risultati supportano o confutano l'ipotesi e se sono necessarie ulteriori sperimentazioni.

Lavoisier osservò che la massa totale del barattolo e il suo contenuto prima e dopo la reazione erano rimasti gli stessi, sebbene la massa del prodotto rosso fosse maggiore di quella del mercurio originale. Il passaggio finale consiste nel trarre una conclusione logica e decidere se accettare o rifiutare l'ipotesi. Se i risultati supportano l'ipotesi in modo significativo, allora questa è accettata.

L'ipotesi può anche essere sottoposta ad ulteriori test o perfezionata ponendo nuove domande, e conducendo nuovi esperimenti. Dai suoi esperimenti, Lavoisier concluse che, poiché la massa totale del barattolo era rimasta invariata durante la reazione, l'ossigeno nel barattolo si era combinato con il mercurio per formare il nuovo prodotto, ora noto come ossido di mercurio. Questa conclusione sosteneva fortemente la sua ipotesi sulla conservazione della massa:la massa totale degli oggetti rimane invariata durante il processo di combustione.

Tuttavia, se un'ipotesi viene confutata, gli scienziati possono formulare una nuova ipotesi, prendendo spunto dagli esperimenti falliti e ricominciando da capo. Anche se consideriamo il metodo scientifico come una serie di fasi, nuove informazioni o idee potrebbero indurre uno scienziato a tornare sui suoi passi e a modificare i passaggi in qualsiasi momento, durante il processo. Pertanto, il metodo scientifico è un processo iterativo.