1.3: La química como ciencia

Objetivo de aprendizaje

• Aprende qué es la ciencia y cómo funciona.

La química es una rama de la ciencia. Aunque la ciencia misma es difícil de definir con exactitud, la siguiente definición puede servir como punto de partida. La ciencia es el proceso de conocer el universo natural a través de la observación y el experimento. La ciencia no es el único proceso de conocimiento (por ejemplo, los antiguos griegos simplemente se sentaron y pensaron), sino que ha evolucionado a lo largo de más de 350 años hasta convertirse en el mejor proceso que la humanidad ha ideado, hasta la fecha, para conocer el universo que nos rodea.

El proceso de la ciencia se suele afirmar como el método científico, que se describe de manera bastante ingenua de la siguiente manera:

1. exponer una hipótesis,
2. probar la hipótesis, y
3. refinar la hipótesis

En la actualidad, el proceso no es tan sencillo. (Por ejemplo, un científico no entra a su laboratorio todos los días y exclama: “¡Hoy voy a exponer una hipótesis y pasar el día probándola!”) El proceso no es tan sencillo porque la ciencia y los científicos tienen un cuerpo de conocimiento que ya ha sido identificado como proveniente del más alto nivel de comprensión, y la mayoría de los científicos construyen a partir de ese cuerpo de conocimiento.

Una conjetura educada sobre cómo funciona el universo natural se llama hipótesis. Un científico que está familiarizado con cómo funciona parte del universo natural —digamos, un químico— está interesado en promover ese conocimiento. Esa persona hace una conjetura razonable —una hipótesis— que está diseñada para ver si el universo también funciona de una manera nueva. He aquí un ejemplo de una hipótesis: “si mezclo una parte de hidrógeno con una parte de oxígeno, puedo hacer una sustancia que contenga ambos elementos”.

Para que una hipótesis se llame hipótesis científica, tiene que ser algo que pueda sustentarse o refutarse a través de la experimentación u observación cuidadosamente elaboradas.

La mayoría de las buenas hipótesis se fundamentan en conocimientos previamente entendidos y representan una extensión comprobable de ese conocimiento. El científico entonces idea formas de probar si esa hipótesis es correcta o no. Es decir, el científico planea experimentos. Los experimentos son pruebas del universo natural para ver si una suposición (hipótesis) es correcta. Un experimento para probar nuestra hipótesis anterior sería mezclar realmente hidrógeno y oxígeno y ver qué sucede. La mayoría de los experimentos incluyen observaciones de partes pequeñas y bien definidas del universo natural diseñadas para ver los resultados de los experimentos.

Una hipótesis científica

Una hipótesis a menudo se escribe en forma de una declaración si/entonces que da una posibilidad (if) y explica lo que puede suceder debido a la posibilidad (entonces). Por ejemplo, si comer azufre elemental repele las garrapatas, entonces alguien que esté comiendo azufre todos los días no obtendrá garrapatas.

¿Por qué tenemos que hacer experimentos? ¿Por qué tenemos que probar? Debido a que el universo natural no siempre es tan obvio, los experimentos son necesarios. Por ejemplo, es bastante obvio que si sueltas un objeto desde una altura, éste caerá. Hace varios cientos de años (casualmente, cerca de los inicios de la ciencia moderna), el concepto de gravedad explicó esa prueba. Sin embargo, ¿es obvio que todo el universo natural está compuesto por solo alrededor de 115 bloques de construcción químicos fundamentales llamados elementos? Esto no parecería cierto si miraras el mundo que te rodea y vieras todas las diferentes formas que puede tomar la materia. De hecho, el concepto del elemento tiene apenas unos 200 años de antigüedad, y el último elemento natural se identificó hace unos 80 años. Se necesitaron décadas de pruebas y millones de experimentos para establecer cuáles son realmente los elementos. Estos son solo dos ejemplos; una miríada de tales ejemplos existe en la química y la ciencia en general.

Cuando se ha recogido suficiente evidencia para establecer un principio general de cómo funciona el universo natural, la evidencia se resume en una teoría. Una teoría es una afirmación general que explica un gran número de observaciones. “Toda la materia está compuesta de átomos” es una afirmación general, una teoría, que explica muchas observaciones en química. Una teoría es una afirmación muy poderosa en la ciencia. Hay muchas declaraciones referidas como “la teoría de _______” o la “teoría ______” en la ciencia (donde los espacios en blanco representan una palabra o concepto). Cuando se escriben de esta manera, las teorías indican que la ciencia tiene una abrumadora cantidad de evidencia de su corrección. Veremos varias teorías en el transcurso de este texto.

Una afirmación específica que se piensa que nunca será violada por todo el universo natural se llama ley. Una ley científica es la comprensión más elevada del universo natural que tiene la ciencia y se piensa que es inviolable. El hecho de que toda la materia atraiga a todas las demás materias —la ley de la gravedad— es una de esas leyes. Tenga en cuenta que los términos teoría y derecho utilizados en la ciencia tienen significados ligeramente diferentes de los de uso común; donde la teoría suele usarse para significar hipótesis (“tengo una teoría...”), y una ley es una limitación arbitraria que se puede romper pero con consecuencias potenciales (como la velocidad límites). Aquí nuevamente, la ciencia usa estos términos de manera diferente, y es importante aplicar sus definiciones adecuadas cuando usas estas palabras en la ciencia. (Figura\(\PageIndex{1}\))

Figura\(\PageIndex{1}\): Definir una ley. ¿Este graffiti significa “ley” como la ciencia define “ley”? (CC BY-SA-NC-ND; Koppenbadger).

Hay una frase adicional en nuestra definición de ciencia: “el universo natural”. La ciencia se ocupa únicamente del universo natural. ¿Qué es el universo natural? Es todo lo que ocurre a nuestro alrededor, bueno, naturalmente. Las estrellas, los planetas, la aparición de la vida en la tierra; así como la forma en que funcionan los animales, las plantas y otra materia forman parte del universo natural. A la ciencia le preocupa eso y solo eso.

Por supuesto, hay otras cosas que nos preocupan. Por ejemplo, ¿el idioma inglés es parte de la ciencia? La mayoría de nosotros podemos responder fácilmente que no; el inglés no es ciencia. Ciertamente vale la pena conocer el inglés (al menos para personas en países predominantemente angloparlantes), pero ¿por qué no es ciencia? El inglés, o cualquier lengua humana, no es ciencia porque en última instancia está ideado; se compone. Piénsalo: la palabra deletreada b-l-u-e representa un cierto color, y todos coincidimos en qué color es ese. Pero, ¿y si usáramos la palabra h-a-r-d para describir ese color? (Figura\(\PageIndex{2}\)) Eso estaría bien, siempre y cuando todos estén de acuerdo. Cualquiera que haya aprendido un segundo idioma debe preguntarse inicialmente por qué se usa cierta palabra para describir un determinado concepto; en última instancia, los hablantes de esa lengua coincidieron en que una palabra en particular representaría un concepto particular. Fue artificial.

Eso no quiere decir que no valga la pena conocer el idioma. Es muy importante en la sociedad. Pero no es ciencia. La ciencia se ocupa únicamente de lo que ocurre de forma natural.

Figura\(\PageIndex{2}\): El inglés no es ciencia. ¿Cómo describirías este color? ¿Azul o duro? De cualquier manera, no estás haciendo ciencia.

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

¿Cuál de los siguientes campos se consideraría ciencia?

1. geología, el estudio de la tierra
2. la ética, el estudio de la moralidad
3. la ciencia política, el estudio de la gobernanza
4. biología, el estudio de los organismos vivos

Solución

1. Debido a que la tierra es un objeto natural, el estudio de la misma en efecto se considera parte de la ciencia.
2. La ética es una rama de la filosofía que trata del bien y del mal. Aunque estos son conceptos útiles, no son ciencia.
3. Hay muchas formas de gobierno, pero todas son creadas por humanos. A pesar de que la palabra ciencia aparece en su nombre, la ciencia política no es ciencia verdadera.
4. Los organismos vivos son parte del universo natural, por lo que el estudio de ellos forma parte de la ciencia.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Cuál es parte de la ciencia y cuál no?

1. dinámica, el estudio de sistemas que cambian con el tiempo
2. estética, el concepto de belleza

Respuesta A

ciencia

Respuesta B

no ciencia

El campo de la ciencia se ha vuelto tan grande que es común separarlo en campos más específicos. Primero, está la matemática, el lenguaje de la ciencia. Todos los campos científicos utilizan las matemáticas para expresarse, algunos más que otros. La física y la astronomía son campos científicos que se ocupan de las interacciones fundamentales entre materia y energía. La química, como se definió anteriormente, es el estudio de las interacciones de la materia con otra materia y con la energía. La biología es el estudio de los organismos vivos, mientras que la geología es el estudio de la tierra. También se pueden nombrar otras ciencias. Entender que estos campos no siempre están completamente separados; los límites entre los campos científicos no siempre son fácilmente evidentes. Un científico puede ser etiquetado como bioquímico si estudia la química de organismos biológicos.

Por último, entender que la ciencia puede ser cualitativa o cuantitativa. Cualitativo implica una descripción de la calidad de un objeto. Por ejemplo, las propiedades físicas son generalmente descripciones cualitativas: el azufre es amarillo, tu libro de matemáticas es pesado, o esa estatua es bonita. Una descripción cuantitativa representa la cantidad específica de algo; significa saber cuánto de algo está presente, generalmente contándolo o mediéndolo. Algunas descripciones cuantitativas incluyen: 25 estudiantes en una clase, 650 páginas en un libro o una velocidad de 66 millas por hora. Las expresiones cuantitativas son muy importantes en la ciencia; también son muy importantes en la química.

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

Identificar cada enunciado como una descripción cualitativa o una descripción cuantitativa.

1. El metal dorado es amarillo.
2. Una resma de papel tiene 500 hojas en ella.
3. El clima afuera es nevado.
4. La temperatura exterior es de 24 grados Fahrenheit.

Solución

1. Debido a que estamos describiendo una propiedad física del oro, esta afirmación es cualitativa.
2. Esta afirmación menciona una cantidad específica, por lo que es cuantitativa.
3. La palabra nevado es una descripción de cómo es el día; por lo tanto, es una afirmación cualitativa.
4. En este caso, el clima se describe con una cantidad específica: la temperatura. Por lo tanto, es cuantitativo.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Son estas declaraciones cualitativas o cuantitativas?

1. Las rosas son rojas y las violetas son azules.
2. Cuatro anotaciones y hace siete años...

Respuesta A

cualitativo

Respuesta B

cuantitativo

Aplicación de Alimentos y Bebidas: Bebidas Carbonatadas

Algunos de los principios químicos simples discutidos en este capítulo pueden ilustrarse con bebidas carbonatadas: refrescos, cerveza y vinos espumosos. Cada producto se produce de una manera diferente, pero todos tienen una cosa en común: son soluciones de dióxido de carbono disuelto en agua.

El dióxido de carbono es un compuesto compuesto por carbono y oxígeno. En condiciones normales, es un gas. Si lo enfrías lo suficiente, se convierte en un sólido conocido como hielo seco. El dióxido de carbono es un compuesto importante en el ciclo de vida en la tierra.

A pesar de que es un gas, el dióxido de carbono puede disolverse en agua, al igual que el azúcar o la sal se pueden disolver en el agua. Cuando eso ocurre, tenemos una mezcla homogénea, o una solución, de dióxido de carbono en agua. Sin embargo, muy poco dióxido de carbono puede disolverse en el agua. Si la atmósfera fuera dióxido de carbono puro, la solución sería sólo alrededor de 0.07% de dióxido de carbono. En realidad, el aire es solo de aproximadamente 0.03% de dióxido de carbono, por lo que la cantidad de dióxido de carbono en el agua se reduce proporcionalmente.

Sin embargo, cuando se hacen refrescos y cerveza, los fabricantes hacen dos cosas importantes: usan gas puro de dióxido de carbono, y lo usan a presiones muy altas. Con presiones más altas, más dióxido de carbono puede disolverse en el agua. Cuando el recipiente de soda o cerveza está sellado, la alta presión del gas dióxido de carbono permanece dentro del paquete. (Por supuesto, hay más ingredientes en la soda y la cerveza además del dióxido de carbono y el agua).

Cuando abres un recipiente de refresco o cerveza, escuchas un silbido distintivo a medida que se escapa el exceso de gas de dióxido de carbono. Pero otra cosa sucede también. El dióxido de carbono en la solución sale de la solución como un montón de pequeñas burbujas. Estas burbujas imparten una agradable sensación en la boca, tanto es así que la industria de los refrescos vendió más de 225 mil millones de porciones de refresco solo en Estados Unidos en 2009.

Algunos vinos espumosos se elaboran de la misma manera, al forzar el dióxido de carbono en el vino regular. Algunos vinos espumosos (incluido el champán) se elaboran sellando una botella de vino con algo de levadura en ella. La levadura fermenta, proceso por el cual la levadura convierte los azúcares en energía y exceso de dióxido de carbono. El dióxido de carbono producido por la levadura se disuelve en el vino. Entonces, cuando se abre la botella de champán, se libera la mayor presión del dióxido de carbono, y la bebida burbujea como un costoso vaso de refresco.

Figura\(\PageIndex{3}\): Bebidas carbonatadas © Thinkstock. La soda, la cerveza y el vino espumoso aprovechan las propiedades de una solución de dióxido de carbono en el agua.

Soda (izquierda), cerveza (centro) y vino espumoso (derecha) imágenes uno al lado del otro.

Claves para llevar

• La ciencia es un proceso de conocer el universo natural a través de la observación y la experimentación.
• Los científicos pasan por un proceso riguroso para determinar nuevos conocimientos sobre el universo; este proceso generalmente se conoce como el método científico.
• La ciencia se descompone en diversos campos, de los cuales la química es uno.
• La ciencia, incluida la química, es tanto cualitativa como cuantitativa.