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화학은 관찰과 실험을 바탕으로 하는 과학이다. 화학을 한다는 것은 과학계에서 인정하는 절차를 사용하여 화학 법칙(law)과 이론(theory)의 관점에서 질문에 답하고, 관찰 내용을 설명하는 것이다. 질문에 답하거나 관찰 내용을 설명하는 단일 경로는 없지만 모든 접근 방식에 똑같은 부분이 있다. 각 접근 방식은 결과를 확인하기 위해 '재현'할 수 있는 실험을 바탕으로 한 지식을 사용한다. 일부 경로에는 정보 수집 및 확인을 위한 지침 역할을 하는 관찰에 대한 임시 설명인 가설(hypothesis)이 포함된다. 가설은 실험, 계산 및/또는 다른 실험과의 비교로 확인한 다음 필요에 따라 개선한다.

일부 가설은 법칙에 요약된 현상을 설명하려는 시도이다. 과학 법칙은 수많은 실험적 관찰을 요약하고, 자연 세계의 일부 측면을 설명하거나 예측한다. 그런 가설이 대량의 실험 데이터를 설명할 수 있는 것으로 밝혀지면 이론이라는 지위에 도달할 수 있다. 과학 이론은 자연의 특정 부분을 잘 입증하고, 포괄적이며, 검증이 가능한 설명이다. 이론은 만족할 만한 설명을 제공하므로 받아들여지지만, 새로운 데이터가 발견되면 수정될 수 있다. 질문과 관찰에서 법칙으로, 가설에서 이론으로 이어지는 발견의 경로와 가설의 실험적 검증 및 필요한 이론 수정이 결합된 방식을 과학적 방법이라고 말한다.

F. N. 컬린저(F. N. Kerlinger)는 과학적 방법의 특징을 다음과 같이 정리하였다.

1. 문제의 해결은 상식적 접근보다 논리적 접근을 통해 이루어진다.

2. 이론이나 가설은 체계적이고 경험적으로 검증된다.

3. 체계적이고 표준화된 관찰이나 실험은 통제를 통하여 이루어진다.

4. 사상(事象)들의 체계나 상호관계가 객관성있고 타당성있게 설명된다.

5. 연구자들의 문제에 대한 관심의 정도에 따라 과학적 방법의 의미가 달라질 수 있다.