بله درست خواندید و نه تنها در شیمی، بلکه همه مدل ها در علم اشتباه هستند. و احتمالاً نه تنها در علم، بلکه هر مدل جغرافیایی، اقتصادی یا تجاری نیز وجود دارد.

ممکن است فکر کنید، “این مرد چه می گوید؟” فقط چند دقیقه به من فرصت دهید تا آنچه را که اینجا باید به شما بگویم برای همه شما توضیح دهم.

خوب اولا مدل چیه؟ مردم معمولا مدل ها را بلوک های سازنده علم می نامند. مدل عنصر اساسی روش علمی است. در علم ما رفتار انواع سیستم‌ها را مطالعه و پیش‌بینی می‌کنیم و از مدل‌هایی برای ساده‌سازی، جایگزینی یا ایستادن این ویژگی‌ها و رفتار سیستم‌ها استفاده می‌کنیم.

اما مفهوم مدل را فقط برای علم یا شیمی محدود نکنید: شما می‌توانید مدل‌هایی را در همه جا پیدا کنید (ما در حین انجام آزمایش‌ها در آزمایشگاه توسط آنها حمل می‌شویم) و مثال‌های زیر درک مفهوم مدل را برای همه آسان می‌کند. . اینها نمونه هایی از “مدل های روزمره“.

• دستور پخت یک غذای خوشمزه مدلی از روند واقعی پختن غذا است.
• آلبوم عکاسی از یک سفر مدل سفر است.
• گزارش خبری یک مسابقه فوتبال مدلی از خود بازی فوتبال است.
• وعده‌هایی که یک نامزد سیاسی در مبارزات انتخاباتی خود می‌دهد، الگوی عملکرد آن در صورت انتخاب شدن (یا حداقل قرار است انتخاب شود) است.

می توانید ببینید که از بین آنها، همه مدل ها اشتباه هستند، اما برخی از آنها مفید هستند.

 

همه مدل ها اشتباه هستند، اما برخی از آنها مفید هستند

مثال دیگر، نزدیکتر به علم: مطالعات آماری در مورد اینکه یک جمعیت چه نوع کفشی را ترجیح می دهد، مدلی از ترجیحات واقعی آنهاست. فکر می‌کنم در این مرحله احتمالاً با اولین جملاتم شروع به دریافت آنچه من به آن اشاره می‌کنم کرده‌اید.

اکنون می‌خواهم از جورج ای‌پی باکس، که یک آماردان انگلیسی بود، از جمله بر روی کنترل کیفیت و تحلیل سری‌های زمانی، نقل قول کنم:

“اساسا، همه مدل‌ها اشتباه هستند، اما برخی از آنها مفید هستند.

معنای این بیانیه سنگ بنای ایده ای است که می خواهم با این مقاله منتقل کنم و در دو بخش به آن می پردازم:

«در اصل، همه مدل‌ها اشتباه هستند… به این معنی که هر مدلی اشتباه خواهد بود زیرا طبق تعریف ساده‌سازی واقعیت است. البته یک مدل می تواند «اشتباه تر» از مدل دیگر باشد. به طور کلی در “سخت ترین” علوم، مانند ریاضیات یا منطق، مدل ها بیشتر به واقعیت نزدیک می شوند. به عنوان مثال، فیزیکدانان اغلب مواردی مانند اثرات گرانشی روی اجسام بسیار کوچک یا اصطکاک را نادیده می گیرند. مدل‌های دیگر خیلی چیزها را نادیده می‌گیرند، مثلاً یک مطالعه جمعیت‌شناختی در مورد یک جمعیت بزرگ. اما به طور کلی، مدل ها نمی توانند تمام واقعیت فیزیکی را به طور کامل بازسازی کنند.

اما برخی از آنها مفید هستند. البته که هستند! ما همیشه از آنها استفاده می کنیم و بدون آنها شیمی وجود ندارد، علم وجود ندارد، هیچ نوع مطالعه ای وجود ندارد! مدل‌ها و تقریب‌های ساده به مردم کمک می‌کنند تا چیزها را توضیح دهند، رفتارها را پیش‌بینی کنند و ویژگی‌ها را درک کنند، از تغییرات بسیار کم در سیستم‌های کوچک گرفته تا کل جهان.

من دوست دارم از “مدل اشتباه مفید” مورد علاقه خود برای مثال استفاده کنم: نقشه.

وقتی کسی می‌گوید نقشه‌ای اشتباه است، فقط می‌خواهد بگوید که یک خیابان برچسب اشتباهی دارد، یا ساختمانی ظاهر نمی‌شود یا در جایی که باید قرار نمی‌گیرد. آن شخص هرگز انتظار ندارد که نقشه به طور کامل واقعیت را بازسازی کند، زیرا انجام چنین کاری غیرممکن هدف نقشه نیست. پسر فقط زمانی عصبانی می شود که مدل نتواند به سؤالاتی که نیاز به پاسخ دارد پاسخ دهد. مگر اینکه نقشه قدیمی داشته باشید، اشتباه نخواهد بود برای هدفش.

با این وجود، یک مدل هرگز توضیح یا پیش‌بینی صد در صد دقیقی را ارائه نمی‌کند که بتوانید در هر موردی از آن استفاده کنید. تصادفی وجود دارد. عدم قطعیت و خطا وجود دارد. پیدا کردن مدلی که هیچ یک از این اجزا را نداشته باشد به این معنی است که شما دیگر مدلی ندارید، فقط یک واقعیت دارید.

در تئوری، اگر داده‌های کامل، ابزارهای محاسباتی عالی داشته باشید، می‌توانید مدلی ایجاد کنید که می‌تواند ویژگی‌ها، رفتارها یا رویدادها را به خوبی پیش‌بینی کند. اما حتی در این مورد، شما یک مدل بسیار پیچیده خواهید داشت که قدرت محاسباتی مورد نیاز برای استفاده از آن، آن را غیرقابل اجرا می کند.

البته، شما می توانید در هر علمی مدل های بسیار پیچیده ای را پیدا کنید که واقعاً بتوانید آنها را به کار ببرید و نتیجه بگیرید. و من قول می‌دهم که می‌توانید مدل‌های بسیار خوب را با تصادفی، خطا و عدم قطعیت کمتر نسبت به مدل‌های ساده‌تر، که می‌توانید مدل‌های نادقیق‌تر و «اشتباه‌تر» نامید، به دست آورید. آیا این باعث می شود مدل های ساده تر منسوخ شوند؟ البته اینطور نیست. اگر یک مدل تا حدی مفید است، می توانید به استفاده از آن ادامه دهید.

چه زمانی یک مدل را رد می کنید؟ فقط در صورتی که یک مدل جدید پیدا کنید که بهتر از مدل قبلی مسائل را توضیح دهد و با آن ناسازگار باشد. گفته می شود که این مدل قدیمی است.

اکنون زمان ورود به شیمی فرا رسیده است! آنچه را که در غیر این صورت نمی‌توان انجام داد، اکنون همه آنچه را که تازه آموخته‌ایم در حوزه علمی خود اعمال خواهیم کرد.

من می خواهم در مورد دو مدل بحث کنم و مثال مورد علاقه خود را به پایان مقاله می گذارم، بنابراین به خواندن ادامه دهید، ناامید نخواهید شد و متوجه خواهید شد که واقعاً همه مدل ها اشتباه هستند.

نظریه میدان کریستال به عنوان یک مدل در شیمی

اولین مدلی که در مورد آن بحث خواهم کرد، نظریه میدان کریستال است. اگر چند دوره در مورد شیمی معدنی گذرانده باشید، احتمالاً این مدل را به خوبی می شناسید. برای کسانی که آن را نمی دانند، نظریه میدان کریستال (CFT) یک مدل الکترواستاتیکی است که از بین رفتن انحطاط ها را توصیف می کند. د اوربیتال های یون فلزی مرکزی یک ترکیب هماهنگی.

اگر یک یون فلزی جدا شده دارید، مثلاً مس²⁺، هر پنج د اوربیتال ها انرژی یکسانی دارند. اما وقتی لیگاندها (مولکول‌ها یا یون‌های خاصی با بار منفی جزئی یا خالص) در اطراف فلز قرار می‌گیرند، به دلیل فعل و انفعالات الکترواستاتیکی، این اوربیتال‌ها دیگر انرژی یکسانی ندارند و در سطوح مختلف انرژی تقسیم می‌شوند. ما به شکاف هشت وجهی (زمانی که 6 لیگاند به فلز متصل می شوند و یک هشت وجهی تشکیل می دهند) می مانیم:

این مثال نشان می‌دهد که وقتی یک Cu اتفاق می‌افتد²⁺ یون جدا شده، (در حقیقت، این می تواند هر نمکی باشد که در آن یون های مس با هیچ لیگاندی هماهنگ نیستند) به یک فنجان حاوی آب اضافه می شود. در اصل، د اوربیتال‌ها انرژی یکسانی داشتند، اما وقتی 6 مولکول آب در اطراف یون‌های مس مرکزی قرار می‌گیرند، به دلیل فعل و انفعالات الکترواستاتیکی، آنها از هم جدا می‌شوند تا دو سطح انرژی متفاوت ایجاد کنند. به طور تجربی، می توانید رنگ آبی را در محلول مشاهده کنید، مانند آنچه در تصویر نشان داده شده است. چرا این اتفاق می افتد و چرا نمک مس بی آب رنگی نشان نمی دهد؟ خب این قطعا یک واقعیت تجربی است که با این مدل اشتباه (در یک دقیقه خواهیم دید که چرا CFT اشتباه است) قابل توضیح است! وجود دارد د مداری که در سطح انرژی بالایی نیمه خالی است و اگر نور مناسب جذب شود، یک الکترون از پایین می تواند از یکی به دیگری بپرد.

∆_اکتبر برابر است با اختلاف انرژی بین دو سطح انرژی. و هنگامی که نور این انرژی جذب می شود، یک الکترون به سطح بالاتر ارتقا یا برانگیخته می شود. خب، این نوع نور اتفاقاً در محدوده مرئی طیف تابش الکترومغناطیسی قرار دارد. به طور خاص نور قرمز نارنجی است. بنابراین، این ترکیب رنگ مکمل نور جذب شده را نشان می دهد، در واقع رنگ آبی فیروزه ای.

ما به تازگی دیدیم که CFT می تواند خواصی مانند رنگ ترکیبات هماهنگ کننده (در میان سایر خواص مانند ساختار آن یا خواص مغناطیسی) را توضیح دهد و حتی در برخی موارد پیش بینی کند، اما این یک مدل کاملاً اشتباه است!

چرا؟ زیرا فقط برهمکنش های الکترواستاتیکی بین یون فلز و لیگاندها را در نظر می گیرد و قطعا این اتفاق نمی افتد! یک خصوصیت پیوند کووالانسی قوی در کمپلکس‌های هماهنگی وجود دارد و بدون در نظر گرفتن آن، بسیاری از چیزها را نمی‌توان توضیح داد (مثلاً سری طیف‌شیمیایی)، بنابراین یک مدل کاملاً اشتباه است، اما برای توضیح آسان و پیش‌بینی خواص خاص مفید است. باز هم می بینیم که چگونه همه مدل ها تا حدی اشتباه هستند.

مدل های پیشرفته در شیمی: نظریه اوربیتال های مولکولی

در مقابل، نظریه اوربیتال‌های مولکولی می‌تواند تمام ویژگی‌ها و رفتارهایی را که CFT می‌تواند انجام دهد، و بسیاری موارد دیگر، و علاوه بر این، نه تنها از نظر کیفی، بلکه از نظر کمی، پیش‌بینی و توضیح دهد. اما MOT بسیار پیچیده‌تر است و کاربرد آن در سیستم‌های کمی پیچیده مستلزم استفاده از محاسبات بزرگ با استفاده از رایانه‌های قدرتمند است. مدل دیگری وجود دارد، نظریه میدان لیگاند، که نسبتاً “کمتر اشتباه” از CFT است، زیرا اساس CFT و همچنین اساس نظریه مداری مولکولی را در نظر می گیرد، و اگر می خواهید یک مدل پیدا کنید، بیشترین استفاده را دارد. سازش خوب بین سودمندی و دقت.

برای اتمام این مقاله، می‌خواهم نمونه مورد علاقه خود را از یک مدل پرکاربرد، که مفهوم آن است، مورد بحث قرار دهم هیبریداسیون. بسیاری از دانشجویان شیمی در مقطع کارشناسی در مورد اتم های هیبریدی در یک مولکول صحبت می کنند که گویی هیبریداسیون یکی از ویژگی های ذاتی اتم ها است.

بیایید چیزی را روشن کنیم: اتم ها در یک مولکول هیبرید نمی شوند. هیبریداسیون فقط مدلی را تشکیل می دهد که ما از آن برای توجیه یا توضیح ساختارها و هندسه های مولکولی استفاده می کنیم. این فقط یک مدل ساده دیگر است که ما از آن برای آسان کردن زندگی خود استفاده می کنیم.

البته، هنگام مطالعه واکنش‌های مولکول‌های آلی بزرگ، نمی‌توانیم به سادگی از نظریه مداری مولکولی پیچیده برای هر اتم در ترکیبات خود استفاده کنیم. ما در نهایت دیوانه می شویم (اگر در نهایت چیزی را به پایان برسانیم)، بنابراین از مدل های ساده تر استفاده می کنیم و فقط الکترون ها را در ساختارهای لوئیس خود حرکت می دهیم تا مکانیسم های واکنش را توضیح دهیم.

من می‌خواهم نیاز موجود به استفاده از هیبریداسیون‌های خاص را برای توضیح پیوندهای منفرد، دوگانه و سه‌گانه بین اتم‌های کربن مولکول‌های آلی نشان دهم. این خیلی خنده دار است، باور کنید.

آنچه معمولاً آموزش داده می شود این است که وقتی کربن فقط پیوندهای منفرد تشکیل می دهد sp³ هیبرید شده هنگامی که یک پیوند دوگانه تشکیل می دهد، sp² هیبرید شده و اوربیتال p باقیمانده پیوند π را تشکیل می دهد. و هنگامی که یک پیوند سه گانه تشکیل می دهد، sp هیبرید می شود و دو اوربیتال p باقی مانده، دو پیوند π را ایجاد می کنند. خوب، پاولینگ توضیح داد که توزیع الکترون در آلکن‌ها یا آلکین‌ها را می‌توان به راحتی با استفاده از sp توضیح داد³ اوربیتال ها: دو sp³ اوربیتال ها در چیزی بین پیوند σ و π همپوشانی دارند (شکل 1) و در نهایت با توزیع الکترونیکی مشابهی نسبت به زمانی که از توزیع کلاسیک استفاده می کنیم، به پایان می رسیم.

این مدل آخر را می توان با استفاده از چیزی مانند خطوط “پل” نشان داد (شکل 2)، و نوع پیوند حاصل “پیوند تاو” نامیده می شود، و حتی اگر مدل چندان مفیدی نیست (گاهی اوقات می توان از آن برای توضیح استریوشیمی استفاده کرد. از واکنش‌های ارگانیک)، کاملاً مشروع و بسیار زیبا و مدلی است به این معنا که می‌توان از آن برای نشان دادن هدف اصلی نوشته‌ام استفاده کرد: همه مدل‌ها اشتباه هستند. با همه مدل‌ها باید مانند آنچه هستند رفتار کرد، ساده‌سازی‌ها و تقریب‌هایی که باید همیشه با در نظر گرفتن محدودیت‌های آن مورد استفاده قرار گیرند و هرگز با واقعیت‌ها اشتباه نشوند..

اگر مشتاق یادگیری شیمی هستید، من چندین بررسی در مورد کتاب های یادگیری شیمی جمع آوری کرده ام که همه آنها را می توانید در اینجا پیدا کنید. به عنوان مثال، اینجا بهترین کتاب های درسی شیمی آلی را برای شما بررسی کنید. اما همیشه به خاطر داشته باشید که مدل ها فقط مدل هستند!

علاوه بر این، اگر در حال آماده کردن فینال شیمی AP هستید، حتماً بروید و بهترین کتاب‌های بررسی شیمی AP را در آنجا بررسی کنید!

امیدوارم از خواندن لذت برده باشید و حالا نوبت شماست! نظرات و نظرات خود را در مورد نظرات به اشتراک بگذارید. مشارکت شما باعث رشد سالن شیمی و تشویق من به ادامه نوشتن می شود. فراموش نکنید که در فید اخبار ما مشترک شوید و به کاوش در وب سایت ادامه دهید. اگر شما یک شیمیدان سرگرمی هستید، منتظر نمانید تا راهنمای ما را برای راه اندازی یک آزمایشگاه شیمی خانگی بررسی کنید!