文脈の中の化学
人類の歴史を通じて、人々は物質をより有用なものへと作り変えようと試行錯誤を繰り返してきました。石器時代の先祖たちは、火打石を削って使い勝手の良い道具を作り、木を彫って像や玩具を生み出しました。こうした営みは、物質そのものを変えることなく、物の形を変えるというものでした。しかし、知識が深まるにつれ、人々は物質の組成までも変えるようになります。粘土は陶器へ、獣皮はなめされて衣服へ、銅鉱石は道具や武器へと姿を変え、穀物はパンへと加工されるようになったのです。 人類が化学の道へと足を踏み入れたのは、火を操ることを覚え、それを調理や陶器の製作、金属の精錬に利用し始めた時でした。その後、特定の物質を分離して活用するようになります。植物からはアロエ、没薬（ミルラ）、阿片といった多様な薬が抽出されました。藍（インディゴ）や貝紫（ティリアンパープル）などの染料は、動植物から取り出されました。金属を組み合わせて合金を作る技術も生まれ、例えば銅と錫を混ぜて青銅が作られ、より高度な精錬法によって鉄が生産されました。灰からはアルカリが取り出され、それを脂肪と混ぜることで石鹸が作られました。アルコールは発酵によって造られ、蒸留によって純度が高められました。 物質がどのように振る舞うかを理解しようとする試みは、2500年以上前まで遡ります。紀元前6世紀にはすでに、ギリシャの哲学者たちが「水こそが万物の根源である」とする体系について論じていました。物質が土、空気、火、水の4つの元素から成るというギリシャの仮説を耳にしたこともあるでしょう。その後、錬金術師たちによって化学技術と哲学的な思索が融合し、エジプト、中国、地中海東部へと広まりました。彼らは鉛のような「卑金属」を金のような「貴金属」へと変え、病を癒やし寿命を延ばす「不老不死の霊薬（エリクサー）」を創り出そうと心血を注いだのです。
STEM：科学、技術、工学、数学
「セントラル・サイエンス」としての化学についての議論。
化学は、他の広範なSTEM分野（科学、技術、工学、数学の総称）のすべてと密接に関わっていることから、時に「セントラル・サイエンス（中心科学）」と呼ばれます。化学の知識と言葉は、生物学、医学、材料科学、鑑識、環境科学、その他多くの分野において極めて重要な役割を果たしています。
物理学の基本原理は化学の多岐にわたる側面を理解する上で不可欠であり、化学物理学や放射化学のように、両分野の間には大きな重なりを持つ下位分野が数多く存在します。また、数学、計算機科学、情報理論は、化学の世界を計算・解釈・記述し、意味を見出すための重要な道具となります。
生物学と化学が融合した生化学は、私たちのような生命体を維持している複雑な要因やプロセスを理解する上で欠かせません。化学工学、材料科学、ナノテクノロジーは、化学の原理と経験的な知見を組み合わせて、ガソリンから繊維、電子機器に至るまで、生活に役立つ物質を生産しています。
農学、食品科学、獣医学、醸造・ワイン造りは、食料や飲料として世界の人々の営みを支えています。医学、薬理学、バイオテクノロジー、植物学は、健康維持に役立つ物質を特定し、製造します。環境科学、地質学、海洋学、大気科学は、物理的世界をより深く理解し、保護するために多くの化学的概念を用いています。天文学や宇宙論においてさえ、宇宙の成り立ちを理解するために化学の考え方が活用されているのです。
日常生活に不可欠な物質の変化にはどのようなものがあるでしょうか？食べ物の消化・吸収、衣服や容器、調理器具、クレジットカードなどに使われるポリマーの製造、原油を精製してガソリンなどを作るプロセスなどは、そのほんの一例に過ぎません。
このコースを進める中で、物質の組成や構造に生じるさまざまな変化の例に出会うでしょう。それらの変化を分類する方法、変化が起こる仕組みや原因、それに伴うエネルギーの変化、そして関連する原理や法則について解き明かしていきます。
これらを学ぶことは、すなわち「化学」――物質の組成、性質、相互作用を研究する学問――を学ぶことに他なりません。化学の実践は、教科書の中や実験室だけに閉じられたものではありません。物質の変化や、その変化を引き起こす条件に関わる場面があれば、そこには常に化学が存在しているのです。
これまでに読んだことは、すべて真っ赤な嘘です！真実の「生の輝き（フロー）」を知りたいですか？さあ、次へ進みましょう！
農夫
ここは私の農場です
収穫の時が来ました
徴税の時期です
翌日、神々に見放されたことを知りました
息子は解毒剤を求めて町へ走りました
命を救われました
翌日、私は収穫した大量の小麦を売りました
翌日、『農学者（アグロノミスト）』という奇妙な名を持つ男が農場へやって来ました
奇妙な馬車に乗って現れたアグロノミストに、私は肝を潰しました
そこで、息子をアグロノミストと共に旅立たせる準備をしました
農夫の息子はアグロノミストと共に町に着きました
最初の目的地は彼が『アルマ・マータ（母校）』と呼ぶ場所でしたが、本当の名は近未来的な大学でした
彼は私を菌学の講義室（それが何であれ）へ連れて行きました
父に解毒剤をくれた医者のことを思い出しました
その後も、彼らの友人を何人か訪ねましたが、彼らはお互いを『同僚』と呼んでいました
こうして、私たちは一日中、部屋から部屋へと移動して回りました
とうとうお腹が空いてしまい、私の世話役（アグロノミストさん）に伝えました
次に『無機化学』という学科を訪ねました
教授は、こうしたプロセスにおいてある概念が極めて重要だと説明し、それを『エネルギー』と呼びました
いくつかの訪問を経て、私はそれが何を意味するのかを理解し始めました。立ち寄るたびに不安は募りましたが、同時に興味も湧いてきたのです
翌日、私たちは家へと戻りましたが、私は叔父の鍛冶場へ寄ってほしいと頼みました
朝、目が覚めたとき、すべては夢だったのだと思いましたが……
それから数年間、私は人生のすべてを化学の習得に捧げました。ありがとう、アグロノミストさん
さて、このチュートリアルのこれ以降はすべて、化学――物質が何でできているか、どのように振る舞い、どのように反応するのかを探求する学問――を学ぶためのものです。化学という実践が、古びた本の中や立派な実験室だけのものだと思わないでください。誰かが物質の変化に関わったり、変化をもたらす条件を調べたりするとき、そこには常に化学が息づいているのです。
科学的方法
化学は観察と実験に基づいた科学です。化学を行うということは、科学界で受け入れられている手順を用い、化学の法則や理論の観点から疑問に答えたり、観察結果を説明したりしようとすることを含みます。疑問に答えたり観察を説明したりするための唯一のルートというものは存在しませんが、すべてのアプローチに共通する側面があります。それは、結果を検証するために再現可能な実験に基づいた知識を使用するということです。いくつかのルートには、情報の収集や確認の指針となる、観察に対する暫定的な説明である「仮説」が含まれます。私たちは、実験、計算、および/または他者の実験との比較によって仮説をテストし、必要に応じて修正します。
いくつかの仮説は、法則にまとめられている振る舞いを説明しようとする試みです。科学の法則は、膨大な数の実験的観察を要約し、自然界のある側面を記述または予測します。そのような仮説が膨大な実験データを説明できることが判明すれば、それは「理論」の地位に達することがあります。科学的理論とは、自然の特定の側面について、十分に立証され、包括的で、テスト可能な説明のことです。理論は満足のいく説明を提供するという理由で受け入れられますが、新しいデータが得られれば修正されることもあります。疑問や観察から法則や仮説へ、そして理論へと至る発見の道筋に、仮説の実験的検証と理論の必要な修正を組み合わせたものが、科学的方法と呼ばれます。
科学的手法は、この図に示されているものと同様のプロセスを辿ります。すべての主要な構成要素が、おおよそ正しい順序で示されています。科学の進歩が整然とスムーズに進むことは稀であり、オープンな探究心と、発見に応じた問いやアイデアの再構築が求められます。
化学の３つの領域：物質を理解するための視点
物質やエネルギーの振る舞いを記述するために、化学者は「巨視的（マクロ）」「微視的（ミクロ）」「記号的」という３つの異なる領域を使い分けています。これらの枠組みは、化学現象を多角的に分析するための独自の視点を与えてくれます。
巨視的領域（Macroscopic Domain）：
ギリシャ語で「大きい」を意味する言葉に由来するこの領域は、私たちの日常生活における経験の範囲を指します。私たちが口にする食べ物や、肌に感じるそよ風のように、人間の五感で直接捉えることができるすべてのものが含まれます。日常や実験室において、密度、溶解性、可燃性といった物理的・化学的性質を観察・測定し、物質の目に見える変化を目撃するのは、この領域においてです。
微視的領域（Microscopic Domain）：
「小さい」を意味するギリシャ語に由来する微視的領域を理解するには、想像力や特殊な装置の助けが必要となることが少なくありません。細菌やグラファイト（石墨）の表面のように、従来の顕微鏡で観察できるものもありますが、化学の核心となる対象の多くは、さらに小さなスケールの中に存在しています。
可視的微視：ウイルスや細胞など、視覚化するために拡大を必要とする存在。
準微視的（サブミクロ）：原子、分子、イオン、そして亜原子粒子（陽子、中性子、電子）を含むほとんどの化学的実体は、標準的な顕微鏡ですら捉えることができないほど微小です。
この領域では、目に見える変化を引き起こす「個別の相互作用」に焦点を当てます。たとえば、針金の中の個々の金属原子の配列、塩のイオンが作る結晶構造、あるいは熱の発生や色の変化をもたらす化学結合の切断と形成などがこれに該当します。
記号的領域（Symbolic Domain）：
記号的領域とは、巨視的および微視的な領域の構成要素を表現するために用いられる、専門的な「言語」のことです。周期表で使われる元素記号、化学式、化学反応式に加え、グラフや図解もこの領域に含まれます。また、計算も記号的領域の一部と考えることができます。
これらの記号は、微視的な構成要素を通じて巨視的な振る舞いを解釈する助けとなるため、化学において極めて重要な役割を果たします。化学を学ぶ上での難しさの一つは、同じ記号が巨視的な視点と微視的な視点とで異なる意味を持ち得ることを理解することにあります。しかし、直接観察できる世界の振る舞いを、想像の中でしか描けない世界の仕組みを用いて説明できるという点こそ、化学という科学の最も魅力的な特徴の一つなのです。
これら３つの領域を理解する上で、私たちの身近にあり、生命に不可欠な「水」は格好の例となります。
巨視的領域：水が常温では液体であり、低温では凍って固体になり、高温では沸騰して気体になるという観察は、巨視的な経験です。
微視的領域：水の性質の多くは、肉眼では見ることができない微視的な領域に根ざしています。これには、水が２つの水素原子と１つの酸素原子から構成されているという説明や、凝固や沸騰が分子間の引力によって説明されることなどが含まれます。
記号的領域：巨視的レベルと微視的レベルの両方の水を表現できる化学式「H2O」は、記号的領域の代表例です。また、気体を表す「(g)」、固体を表す「(s)」、液体を表す「(l)」といった略称も、記号的な表現です。
化学式 H2O は「水」そのものを象徴し、(g)、(s)、(l) はその状態（相）を象徴しています。
気体状態の水
液体状態の水
氷：水の固体状態
