Н. В. Перцев планирование и математическая обработка результатов химического эксперимента учебное пособие



страница4/46
Дата26.06.2015
Размер4.46 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   46

1.3. Предпосылки и способы проведения исследований


Любое научное исследование основано на некоторых общих положениях мировоззренческого характера. В частности, начиная научное исследование, мы можем не задумываться над философскими вопросами, но мы не сомневаемся, что объекты нашего будущего исследования материальны, познаваемы, не зависят от наших субъективных представлений о них. Любой исследователь уверен также, что критерием истинности этих представлений является практика, в частности, результаты эксперимента [1].

На базе этих предпосылок любой ученый как-то организует свои действия, реализует определенный метод исследований.


Само слово метод происходит от греческого термина, некогда обозначавшего охоту за зверем или преследование преступника. Начиная с Платона и других древнегреческих философов, слово метод стало использоваться для обозначения способа постижения истины. Научным методом стали называть совокупность приемов, благодаря которым ученый получает новые, ранее никому не известные знания. Основными приемами исследования для ученых Древней Греции стали наблюдения, логические рассуждения, а также ссылки на авторитет предшественников. Этот, довольно неэффективный метод в эпоху Возрождения метод сменился другим («галилеевским»), основанным на активной деятельности самого исследователя и моделировании изучаемых объектов. Разумеется, наблюдения и логические рассуждения сохранили свою роль и в рамках нового метода. В химию этот метод пришел позднее, начиная со времен Р.Бойля, и обеспечил быстрое и плодотворное развитие этой науки.

Начинающий исследователь-химик редко задумывается над выбором метода, он использует в своей деятельности тот метод, который сегодня общепринят в его отрасли науки и те приемы работы, которые кажутся новичку единственно возможными, поскольку так работали его учителя и так работают его коллеги. Однако крупные ученые (Ньютон, Оствальд, Менделеев, Эйнштейн, Пуанкаре, Вернадский, Полинг и многие другие), независимо от конкретной области их научных интересов, глубоко задумывались над вопросами методологии, находили новые приемы исследований. Это помогало им добиться успеха в соответствующих областях.



Методологию (дословно – учение о методе) в настоящее время определяют как науку о путях приращения и упорядочивания знаний [2]. Конкретизируя и сужая проблему, можно сказать, что методология – это наука о способах и средствах рационализации научной деятельности. Общая методология науки является по своей сути частью философии; она рассматривает проблему существования объективной научной истины, ее границы и критерии, индуктивный (от частного к общему) и дедуктивный (от общего к частному) методы познания, взаимосвязь анализа и синтеза, принципы систематизации научных знаний и т. п. Для каждой области научных знаний выработана своя собственная методология. В частности, выделяют методологию химии, безусловно являющуюся частью химической науки. В методологии химии рассматриваются общехимические понятия (например, понятие химического элемента), а также общехимические методы исследований – сравнительный, термодинамический, кинетический и квантовохимический. Можно выделить еще более узкие области – частные методологии аналитической химии, органической химии, квантовой химии и т. п. В каждом случае речь идет, прежде всего, о целях и способах организации научных исследований в соответствующей области [3].

Понятно, что научными исследованиями можно заниматься по-разному. В гуманитарных науках важными приемами являются: наблюдение, выборочное анкетирование, логическое сопоставление высказываний, поиск материалов в архивах и библиотеках, сравнительный (в том числе математический) анализ текстов и документов, археологические раскопки и т. п. Естествознание также не отказывается от наблюдений или от изысканий в архивах, но основным способом исследований для естественных наук в целом и для химии в частности является эксперимент. Так называют целенаправленное изучение некоторого процесса (явления) в точно известных условиях. Экспериментатор регистрирует характеристики и результаты процесса – проводит измерения, отбирает пробы, фотографирует, ведет записи в своем журнале, обрабатывает полученные данные, делает выводы и затем публикует результаты своих экспериментов.

Выделяют два вида эксперимента: активный и пассивный. В пассивном эксперименте исследователь лишь наблюдает за ходом процесса, регистрирует условия его протекания и получаемые результаты, но не инициирует этот процесс, не задает его условий и не вмешивается в ход процесса. Так, можно в течение длительного времени пассивно измерять и записывать показатели качества бензина, выпускаемого на заводской установке в разные дни, когда состав сырья несколько различается. Затем обработать полученные данные и найти математическую зависимость между показателями состава сырья и показателями качества.

Проводя активный эксперимент, исследователь самостоятельно проводит исследуемый процесс, задает и поддерживает его условия. В активном эксперименте исследователь не просто наблюдает за ходом изучаемого процесса и измеряет какие-то величины, но и повторяет этот процесс в заранее заданных и тщательно поддерживаемых условиях. Затем меняет эти условия по заранее продуманному плану, проводит новые серии опытов в новых условиях, и т. д.

Активный эксперимент в реальных условиях не всегда возможен. Так, никто не станет целенаправленно подавать на многотоннажную заводскую установку риформинга сырье специально подобранного состава (сегодня одно сырье, завтра – другое, и т. д.), чтобы определять характеристики качества получаемого бензина и затем строить зависимость «состав сырья – качество бензина». Подобные эксперименты были бы слишком дороги или вообще технически неосуществимы. Поэтому надо либо ограничиться описанным выше пассивным экспериментом, либо проводить активный эксперимент на небольшой лабораторной установке. Первый путь проще и дешевле, второй путь является более перспективным и дает гораздо больше новой информации.

Для активных химических экспериментов характерно следующее: а) исследователь-химик в состоянии управлять тем процессом, который он изучает, и может воспроизводить его в лабораторных условиях; б) в ходе эксперимента измеряются некоторые физические величины, характеризующие условия и результаты отдельных опытов; в) эксперимент в целом или отдельные опыты можно повторять произвольное число раз, причем результаты повторных опытов воспроизводятся (с учетом точности измерений). Измерение любой величины (температуры, концентрации, скорости и др.) производится с погрешностью, не превышающей некоторой заранее заданной предельной величины, которая в ходе эксперимента не меняется (см. 2.3). Еще одно важное допущение: мы предполагаем, что проводимые измерения не влияют на изучаемый процесс.

Обычно экспериментатор реализует природный или технический процесс в лабораторных условиях, воспроизводя не все, а лишь некоторые факторы, которые могут повлиять на процесс в реальных условиях. При этом он старается воспроизвести наиболее важные (с его точки зрения) характеристики процесса. Тем не менее отличия лабораторного эксперимента от природных и технических процессов весьма существенны:


  • лабораторный эксперимент обычно воспроизводит изучаемый процесс в другом масштабе. Например, химик проводит некоторую реакцию в пробирке или в небольшой лабораторной установке, а в реальных условиях эта реакция идет (или должна будет идти) в огромном реакторе с участием сотен тонн реагента;

  • лабораторный эксперимент нередко воспроизводит изучаемый процесс заведомо иным способом, на сходных, но не на тех же самых объектах. Так, методику анализа сточных вод вначале отрабатывают на более простом объекте – на модельной многокомпонентной смеси растворенных солей. А опасные заболевания людей моделируют и исследуют на морских свинках, собаках, обезьянах и других животных;

  • лабораторный эксперимент иногда по техническим или экономическим соображениям проводят в других (легче реализуемых) температурных или концентрационных условиях, ограничивают продолжительность эксперимента, пренебрегают влиянием некоторых факторов. Чем больше таких вынужденных отличий допускает экспериментатор, тем меньше практическая ценность получаемых им результатов.

Далее мы будем рассматривать проведение активных экспериментов именно в лабораторных условиях, так как лабораторный эксперимент традиционно является основным способом исследований в области химии и даже в области химической технологии. В этом отношении химики находятся в более выгодном отношении, чем астрономы, вулканологи или политологи. В тех науках активные лабораторные эксперименты пока что невозможны.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   46


База данных защищена авторским правом ©zubstom.ru 2015
обратиться к администрации

    Главная страница