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[[File:PTCDA AFM.jpg|thumb|5つの6炭素環を含む[[:en:Perylenetetracarboxylic dianhydride|PTCDA]]分子が見える[[原子間力顕微鏡]](AFM)画像<ref>{{cite journal|doi=10.1038/ncomms8766|pmid=26178193|pmc=4518281|title=Chemical structure imaging of a single molecule by atomic force microscopy at room temperature|journal=Nature Communications|volume=6|page=7766|year=2015|last1=Iwata|first1=Kota|last2=Yamazaki|first2=Shiro|last3=Mutombo|first3=Pingo|last4=Hapala|first4=Prokop|last5=Ondráček|first5=Martin|last6=Jelínek|first6=Pavel|last7=Sugimoto|first7=Yoshiaki|bibcode= 2015NatCo...6.7766I}}</ref>。]]
[[File:Pentacene on Ni(111) STM.jpg|thumb|5つの炭素環が直鎖状に連なった[[ペンタセン]]分子の[[走査型トンネル顕微鏡]](STM)画像<ref>{{cite journal|doi=10.1039/C4NR07057G|pmid=25619890|title=Pentacene on Ni(111): Room-temperature molecular packing and temperature-activated conversion to graphene|journal=Nanoscale|volume=7|issue=7|pages=3263–9|year=2015|last1=Dinca|first1=L.E.|last2=De Marchi|first2=F.|last3=MacLeod|first3=J.M.|last4=Lipton-Duffin|first4=J.|last5=Gatti|first5=R.|last6=Ma|first6=D.|last7=Perepichka|first7=D.F.|last8=Rosei|first8=F.|author-link7=Dmitrii Perepichka|bibcode= 2015Nanos...7.3263D}}</ref>。]]
[[File:TOAT AFM.png|thumb|1,5,9-トリオキソ-13-アザトリアンギュレンのAFM画像とその化学構造<ref>{{cite journal|doi=10.1038/ncomms11560|pmid=27230940|pmc=4894979|title=Mapping the electrostatic force field of single molecules from high-resolution scanning probe images|journal=Nature Communications|volume=7|pages=11560|year=2016|last1=Hapala|first1=Prokop|last2=Švec|first2=Martin|last3=Stetsovych|first3=Oleksandr|last4=Van Der Heijden|first4=Nadine J.|last5=Ondráček|first5=Martin|last6=Van Der Lit|first6=Joost|last7=Mutombo|first7=Pingo|last8=Swart|first8=Ingmar|last9=Jelínek|first9=Pavel|bibcode=2016NatCo...711560H}}</ref>。]]
'''分子'''（ぶんし、[[英語|英]]: molecule）とは、2つ以上の[[原子]]から構成される[[電荷]]的に中性な[[物質]]を指す。厳密には、分子は少なくとも1つ以上の振動[[エネルギー準位]]を持つほどに充分に深いエネルギーポテンシャル表面のくぼみを共有する原子の集まりを指す<ref name="iupac4">IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. {{DOI|10.1351/goldbook.M04002}}.</ref>。この基準を満たす[[イオン (化学)|イオン]]は、文脈によって含まれる場合もあれば含まれない場合もある<ref name="iupac">{{GoldBookRef| title=Molecule|file=M04002|accessdate=23 February 2016}}</ref><ref>{{cite book| author= Ebbin, Darrell D.| title= General Chemistry |edition=3rd| date= 1990| publisher= [[:en:Houghton Mifflin Co.|Houghton Mifflin Co.]]| location= Boston| isbn= 978-0-395-43302-7}}</ref><ref>{{cite book| author= Brown, T.L. |author2=Kenneth C. Kemp |author3=Theodore L. Brown |author4=Harold Eugene LeMay |author5=Bruce Edward Bursten |title= Chemistry – the Central Science | url= https://archive.org/details/studentlectureno00theo | url-access= registration |edition=9th| date= 2003| publisher= [[:en:Prentice Hall|Prentice Hall]]| location= New Jersey| isbn= 978-0-13-066997-1}}</ref><ref>{{cite book| last= Chang| first= Raymond| title= Chemistry | url= https://archive.org/details/chemistry00chan_0| url-access= registration|edition=6th| date= 1998| publisher= [[:en:McGraw Hill|McGraw Hill]]| location= New York| isbn= 978-0-07-115221-1}}</ref><ref>{{cite book| author= Zumdahl, Steven S.| title= Chemistry |edition=4th| date= 1997| publisher= Houghton Mifflin| location= Boston| isbn= 978-0-669-41794-4}}</ref>。[[量子物理学]]、[[有機化学]]、[[生化学]]の分野では、イオンとの区別をせず、[[多原子イオン]]を指して分子が使われることが多い。


== 概要 ==
'''分子'''（ぶんし、[[英語|英]]: molecule）とは、2つ以上の[[原子]]から構成される[[電荷]]的に中性な[[物質]]を指す<ref name="iupac">IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. {{DOI|10.1351/goldbook.M04002}}. </ref>。厳密には、分子は少なくとも1つ以上の振動[[エネルギー準位]]を持つほどに充分に深いエネルギーポテンシャル表面のくぼみを共有する原子の集まりを指す<ref name="iupac"/>。ほとんどの原子は、同種あるいは異なる原子と[[化学結合]]により結びついて分子を形成する。
分子には、[[酸素]]分子（酸素原子2つ、O<sub>2</sub>）のように1つの[[化学元素]]の原子からなる[[等核分子]]と、[[水]]（水素原子2つと酸素原子1つ、H<sub>2</sub>O）のように2つ以上の元素からなる[[異核分子]]がある。[[気体分子運動論]]では、あらゆる気体[[粒子]]はその組成にかかわらず分子と呼ばれることが多い。これは、[[希ガス]]が単原子で安定な[[化学種]]であるため（[[単原子分子]]とも呼ばれる）、分子が2つ以上の原子を含むという要件を緩和したことによる<ref>{{cite book |last=Chandra |first=Sulekh |title=Comprehensive Inorganic Chemistry |date=2005 |publisher=New Age Publishers |isbn=978-81-224-1512-4}}</ref>。[[水素結合]]や[[イオン結合]]など{{仮リンク|非共有相互作用|en|Non-covalent interaction|label=非共有結合}}で結合された原子や複合体は、通常、単一分子とはみなされない<ref>{{cite encyclopedia|title=Molecule|encyclopedia=[[:en:Encyclopædia Britannica|Encyclopædia Britannica]]|date=22 January 2016|url=http://global.britannica.com/science/molecule|access-date=23 February 2016|archive-date=3 May 2020|archive-url=https://web.archive.org/web/20200503044729/https://global.britannica.com/science/molecule|url-status=live}}</ref>。


分子のような概念は古くから議論されてきたが、分子とその結合の本質に関する近代的な研究は17世紀に始まった。[[ロバート・ボイル]]、[[アメデオ・アヴォガドロ]]、[[ジャン・ペラン]]、[[ライナス・ポーリング]]といった科学者たちによって、時間をかけて洗練された分子の研究は、今日では[[分子物理学]]または分子化学<!-- molecular chemistry -->として知られている。
[[希ガス]]のように、単原子で安定な[[化学種]]を[[単原子分子]]と呼ぶことがある。2個の原子から成る分子は[[二原子分子]]、3個以上の原子から成る分子は多原子分子と呼ばれる。分子から[[電子]]が付加、あるいは脱離した[[イオン]]は分子イオンと呼ばれる。

== 語源 ==
[[メリアム＝ウェブスター]]や[[オンライン・エティモロジー・ディクショナリー]]によると、「分子（molecule）」という言葉は、[[ラテン語]]の「[[モル|moles]]」すなわち「質量の小さな単位」に由来する。語源はフランス語の ''{{linktext|molécule}}''（1678）で、ラテン語の ''{{linktext|moles}}'' 「mass, barrier（質量、境界）」の[[指小辞]]である[[新ラテン語]]の ''{{linktext|molecula}}'' に由来する。18世紀後半までラテン語の形でしか使われなかったこの言葉は、[[ルネ・デカルト|デカルト]]の哲学書で使われたことで人気を博した<ref>{{OEtymD|molecule|accessdate=2016-02-22}}</ref><ref>{{cite dictionary |title=molecule |dictionary=[[:en:Merriam-Webster|Merriam-Webster]] |url=http://www.merriam-webster.com/dictionary/molecule |access-date=22 February 2016 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210224223305/https://www.merriam-webster.com/dictionary/molecule |archive-date=24 February 2021 |url-status=live}}</ref>。
== 歴史 ==
{{Main|分子論の歴史}}
分子の構造に関する知識が増えるにつれて、分子の定義も進化してきた。初期の定義では、分子を「その[[化合物|組成]]と化学的性質を保持する純粋な[[化学物質]]の最小の[[物理学における粒子の一覧#%E8%A4%87%E5%90%88%E7%B2%92%E5%AD%90|粒子]]」と定義していたが、あまり正確ではなかった<ref>[http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/glossary/m.shtml#molecule Molecule Definition] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20141013143129/http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/glossary/m.shtml#molecule|date=13 October 2014}} ([[:en:Frostburg State University|Frostburg State University]])</ref>。しかし、[[岩石]]、[[塩 (化学)|塩類]]、[[金属]]など身近な物質の多くは、[[化学結合|化学的に結合]]した原子や[[イオン (化学)|イオン]]の大きな結晶ネットワークで構成されており、個別の分子でできている訳ではないため、この定義はしばしば破綻する。

現代の分子の概念は、[[レウキッポス]]や[[デモクリトス]]など、すべての宇宙は[[原子モデル|原子と空隙]]で構成されていると主張した科学以前のギリシャの哲学者までさかのぼることができる。紀元前450年頃、[[エンペドクレス]]は、[[四元素|基本元素]]（[[火]]（[[File:Fire_symbol_(alchemical).svg|20x20px]]）、[[四元素#土|土]]（[[File:Alchemical earth symbol (fixed width).svg|20x20px]]）、[[四元素#空気（風）|空気]]（[[File:Air_symbol_(alchemical).svg|20x20px]]）、[[四元素#水|水]]（[[File:Water_symbol_(alchemical).svg|20x20px]]））と、それらの元素が相互作用する引力と斥力という「力」を想像した。

第5番目の元素である「不壊（ふえ）の真髄」である[[エーテル (哲学)|エーテル]]<!-- the incorruptible quintessence aether -->は、天体の基本的な構成要素と考えられていた。レウキッポスやエンペドクレスの視点は、エーテルとともに[[アリストテレス]]に受け入れられ、[[中世]]および[[ルネサンス期]]のヨーロッパに受け継がれた。

しかし、より具体的には、「分子」、すなわち原子が結合した集合体や単位という概念は、[[ロバート・ボイル]]が1661年に出版した有名な著書『[[懐疑的化学者]]（''The Sceptical Chymist''）』の中で、「物質は微粒子の集団から構成されており、化学変化はその集団の再編成によって生じる」とした彼の仮説に端を発している。ボイルは、物質の基本要素は「微粒子（corpuscles）」と呼ばれる種類や大きさの異なる粒子で構成されており、これらの粒子は自身を集団に編成することができると主張した。1789年に、{{仮リンク|ウィリアム・ヒギンズ|en|William Higgins (chemist)}}が、[[原子価結合理論|原子価結合]]の概念を予示となる「究極の」粒子の組み合わせと呼ぶものについての見解を発表した。ヒギンズによれば、たとえば酸素の究極粒子と窒素の究極粒子の間の力は6であり、力の強さはそれに応じて分割され、他の究極粒子の組み合わせについても同様である。


== 原子と分子 ==
[[ファイル:A New System of Chemical Philosophy fp.jpg|thumb|ドルトンの原子説 (J.Dalton,''A New System of Chemical Philosophy'',1808)。<br />1.水素、4.酸素、21.水<br />ドルトンは水素と酸素が1対1で反応し水が生成すると考えている。]]
[[ファイル:A New System of Chemical Philosophy fp.jpg|thumb|ドルトンの原子説 (J.Dalton,''A New System of Chemical Philosophy'',1808)。<br />1.水素、4.酸素、21.水<br />ドルトンは水素と酸素が1対1で反応し水が生成すると考えている。]]
[[ジョン・ドルトン]]が1803年に[[原子説]]、1804年に[[倍数比例の法則]]により原子の存在を提唱した。しかしその概念は現代の[[電子]]と[[原子核]]から構成される粒子のような構造的な概念ではなく、化学反応が一定の単位質量を基にして反応が進行するという量的概念であった（[[化学量論]]に詳しい）。


一方、1808-1809年に[[ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサック]]は[[気体反応の法則]]を提唱したが、この法則は同じ温度・圧力条件下の気体には同一体積中に同数の物質粒子が存在することを暗に想定しており、それが倍数比例の法則に従うのであるからその粒子は一定の単位質量を持つことが想定される。ドルトン自身は化合物に含まれる原子の数は基本的に1つずつであると考えており、2容量の水素と1容量の酸素とから2容量の水蒸気が生じるという事実は彼の想定する単位原子と矛盾を生ずるため、この法則を認めなかった<ref>「現代化学史　原子・分子の化学の発展」p45　廣田襄　京都大学学術出版会　2013年10月5日初版第1刷</ref>（[[気体反応の法則]]に詳しい）。
[[ジョン・ドルトン]]が1803年に[[原子論]]を、1804年に[[倍数比例の法則]]により原子の存在を提唱した。しかし現代の[[電子]]と[[原子核]]から構成される粒子のような構造的な概念ではなく、化学反応が一定の単位質量を基に進行するという[[化学量論|量的概念]]であった<ref>「現代化学史　原子・分子の化学の発展」p45　廣田襄　京都大学学術出版会　2013年10月5日初版第1刷</ref>。


「分子（molecule）」という言葉は[[アメデオ・アヴォガドロ]]が作り出した<ref name="ley196606">{{Cite magazine |last=Ley |first=Willy |date=June 1966 |title=The Re-Designed Solar System |url=https://archive.org/stream/Galaxy_v24n05_1966-06#page/n93/mode/2up |department=For Your Information |magazine=Galaxy Science Fiction |pages=94–106}}</ref>。1811年の論文「物体の素分子の相対質量の決定に関するエッセイ」（''Essay on Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies''）で、彼は本質的に次のように述べている。すなわち、{{仮リンク|J・R・パーティントン|en|J. R. Partington|label=パーティントン}}の『化学の歴史（''A Short History of Chemistry）』''によると<ref>{{cite journal |last1=Avogadro |first1=Amedeo |date=1811 |title=Masses of the Elementary Molecules of Bodies |url=http://web.lemoyne.edu/~giunta/AVOGADRO.HTML |journal=Journal de Physique |volume=73 |pages=58–76 |access-date=25 August 2022 |archive-date=12 May 2019 |archive-url=https://web.archive.org/web/20190512182624/http://web.lemoyne.edu/~giunta/avogadro.html |url-status=live }}</ref>、
1811年に[[アメデオ・アヴォガドロ]]は複数個の原子から構成される分子の概念を気体反応の法則に導入した。すなわち、分子を元にした[[アボガドロの法則]]を提唱してこの矛盾を解消した。発表当時はこの説は重要視されなかった<ref>「現代化学史　原子・分子の化学の発展」p45-46　廣田襄　京都大学学術出版会　2013年10月5日初版第1刷</ref>が、1858年に[[スタニズラオ・カニッツァーロ]]がアボガドロの法則を再評価した。この時期は原子あるいは分子のモデルやその原子量、分子量の定義は研究者によってさまざまに提唱され、統一されていなかったが、これを統一するために呼びかけられた1860年のカールスルーエ国際会議においてカニッツァーロの論文が評価され、アヴォガドロの分子論は確固たるものとして受け入れられることとなった<ref>「現代化学史　原子・分子の化学の発展」p65-67　廣田襄　京都大学学術出版会　2013年10月5日初版第1刷</ref>。（[[アボガドロの法則]]に詳しい）。


{{quote|気体の最小粒子は必ずしも単純な原子ではなく、これらの原子が特定の数だけ引力で結合して一個の'''分子'''（'''molecule'''）を形成している。}}
分子の物理学的挙動について、実験的にその実在性を確立したのは[[アルベルト・アインシュタイン]]（1905年）および[[ジャン・ペラン]]（1909年）による[[ブラウン運動]]の研究である<ref>「現代化学史　原子・分子の化学の発展」p195-197　廣田襄　京都大学学術出版会　2013年10月5日初版第1刷</ref>。今日では[[分光学]]的測定や[[質量分析法|質量分析]]測定あるいは[[原子間力顕微鏡]]により分子を直接観測することが可能になっている。

こうした考え方と同調して、1833年にフランスの化学者{{仮リンク|マルク・アントワーヌ・オーギュスト・ゴーダン|en|Marc Antoine Auguste Gaudin}}は、アボガドロの原子量に関する仮説を<ref>{{cite journal |author=Seymour H. Mauskopf |date=1969 |title=The Atomic Structural Theories of Ampère and Gaudin: Molecular Speculation and Avogadro's Hypothesis |journal=Isis |volume=60 |issue=1 |pages=61–74 |doi=10.1086/350449 |jstor=229022 |s2cid=143759556}}</ref>、直線状の水分子のような半正確な分子形状<!-- semi-correct molecular geometries -->と、H<sub>2</sub>Oのような正確な分子式<!-- correct molecular formulas -->の両方を明確に示す体積図（volume diagrams）を使って明確に説明した。[[File:Gaudins-volume-diagrams.jpg|thumb|350x350px|マルク・アントワーヌ・オーギュスト・ゴーダンによる気相における分子の体積図 (1833)]]

1917年、[[ライナス・ポーリング]]という無名のアメリカの化学技術者<!-- American undergraduate chemical engineer -->が、原子間結合を記述する方法として当時主流であった[[ジョン・ドルトン#原子説|ドルトンのフックアンドアイ結合]]<!-- Dalton hook-and-eye bonding method -->{{訳語疑問点|date=2022年12月|原文: Dalton hook-and-eye bonding method}}を研究していた。しかし、ポーリングはこの方法に満足せず、新たな分野である量子物理学に新しい方法を求めた。1926年、フランスの物理学者[[ジャン・ペラン]]が、分子の存在を決定的に証明したことによりノーベル物理学賞を受賞した。彼は、いずれも液相系に関する3種類の方法で計算することにより[[アボガドロ定数]]を決定した。1番目は{{仮リンク|ガンボージ|en|Gamboge}}石鹸のような[[エマルション]]を使用し、2番目は[[ブラウン運動]]を実験的に研究し、3番目は[[アルベルト・アインシュタイン|アインシュタイン]]の液相における粒子回転の理論を検証した<ref>Perrin, Jean, B. (1926). [https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1926/perrin/lecture/ Discontinuous Structure of Matter] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20190529115507/https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1926/perrin/lecture/ |date=29 May 2019 }}, Nobel Lecture, December 11.</ref>。

1927年、物理学者[[フリッツ・ロンドン]]と[[ヴァルター・ハイトラー]]は、新しい量子力学を、水素分子における可飽和性で非動的な引力と斥力<!-- saturable, nondynamic forces of attraction and repulsion -->、すなわち交換力の取り扱いに適用した。この問題を原子価結合の観点から扱った彼らの共同論文は、化学を量子力学の下に置くという点で画期的であった<ref>{{cite journal |last1=Heitler |first1=Walter |last2=London |first2=Fritz |date=1927 |title=Wechselwirkung neutraler Atome und homöopolare Bindung nach der Quantenmechanik |journal=Zeitschrift für Physik |volume=44 |issue=6–7 |pages=455–472 |bibcode=1927ZPhy...44..455H |doi=10.1007/BF01397394 |s2cid=119739102}}</ref>。彼らの研究は、博士号を取得したばかりのポーリングに影響を与え、[[グッゲンハイム・フェロー|グッゲンハイム・フェローシップ]]でチューリッヒのハイトラーやロンドンを訪問した。

[[File:Ch4_hybridization.svg|thumb|200x200px|水素の s 軌道と重なる sp³ 混成軌道の模式図]]その後、1931年にポーリングは、ハイトラーとロンドンの研究、およびルイスの有名な論文に見られる理論に基づいて、[[量子力学]]を用いて分子の性質や結合角・結合に伴う回転といった構造式を計算する画期的な論文「化学結合の本性（''The Nature of the Chemical Bond''）」を発表した<ref>{{cite journal |last1=Pauling |first1=Linus |date=1931 |title=The nature of the chemical bond. Application of results obtained from the quantum mechanics and from a theory of paramagnetic susceptibility to the structure of molecules |journal=J. Am. Chem. Soc. |volume=53 |issue=4 |pages=1367–1400 |doi=10.1021/ja01355a027}}</ref>。これらの概念に基づいて、ポーリングは、4つの sp³ 混成軌道が[[水素]]の ''1s'' 軌道に重なって4つの [[σ結合]]を形成する [[メタン|CH<sub>4</sub>]] のような分子の結合を説明する[[混成理論]]を開発した。この4つの結合は同じ長さと強さであるため、下図に示すような分子構造になる。
== 分子科学 ==
分子科学（''molecular science''）は、化学と物理のどちらに重点を置くかによって、「分子化学（''molecular chemistry''）」または「[[分子物理学]]（''molecular physics''）」と呼ばれる。分子化学は、[[化学結合]]の形成や切断といった分子間の相互作用を支配する法則を扱い、分子物理学は、分子の構造や特性を支配する法則を扱う。しかし、実際にはこの区別は曖昧である。分子科学では、分子は2つ以上の[[原子]]が結合した安定した系（[[束縛状態]]）で構成されている。[[分子イオン|多原子イオン]]も電気を帯びた分子と見なすことができる。不安定分子（''unstable molecule''）という用語は、非常に{{仮リンク|反応性 (化学)|en|Reactivity (chemistry)|label=反応性}}の高い種、すなわち[[ラジカル (化学)|ラジカル]]、[[分子イオン]]、{{仮リンク|リュードベリ分子|en|Rydberg molecule}}、[[遷移状態]]、[[ファンデルワールス錯体]]、[[ボース＝アインシュタイン凝縮]]のような原子の衝突系など、[[電子]]と[[原子核]]の一時的な集合体（[[共鳴理論|共鳴]]）に対して使用される。


== 分子の形態 ==
== 分子の形態 ==
{{Unreferenced section|date=August 2022}}
分子にはおおよそ数百程度の[[分子量]]を持つものが多いが、サイズにすると10<sup>−9</sup> m（ナノメートル）、10<sup>−20</sup> gに相当する。この大きさでは可視光の波長以下の為、顕微鏡など光学的な像として個々の分子を観察することはできない。したがって通常目にする[[物質]]は結晶やクラスターなど集団としての分子を目にしていることになる。言い換えると分子の姿は測定器を介して観測するしかなく、分子の実像は目で見た物質の形態による想定とは必ずしも一致しない。
物質の構成要素としての分子はありふれたものである。それらはまた、海や大気の大部分を構成している。ほとんどの[[有機化学|有機]]物は分子である。タンパク質とその材料となるアミノ酸、核酸（DNAとRNA）、糖、炭水化物、脂質、ビタミンなど、生命を構成する物質は分子である。栄養素であるミネラルは、一般にイオン化合物であり、分子ではない（例：硫酸鉄）。


[[File:Eight Allotropes of Carbon.png|thumb|250px|[[炭素]]の同素体（異なる分子構造）を示す: a:[[ダイヤモンド]], b:[[グラファイト]], c:[[ロンズデーライト]], d,e,f:[[フラーレン]], g:[[無定形炭素]], h:[[カーボンナノチューブ]]]]
分子の構成単位は物質の種類により一定であるが、集合体としての分子の形態は同一物質であっても物質の物理的状態（[[三態]]）の変化によってもその形態は異なる。具体的には、共有結合性物質と、イオン性物質や物性としての金属では集団としての分子の意味合いは多少異なる。


しかし、地球上の身近な固体物質の大半は、部分的または全部が結晶やイオン化合物でできており、分子でできているわけではない。これらには、地球の物質を構成するすべての鉱物、砂、粘土、小石、岩、巨礫、[[地殻]]、[[マントル]]、[[地球の構造#%E6%A0%B8|地球の核]]などが含まれる。これらはすべて、多くの化学結合を含んでいるが、識別可能な分子でできているわけではない。
共有結合性物質においては、[[気体]]、[[液体]]、[[固体]]のいずれの状態においても共有結合により組織付けられた分子が単位となっている。分子のポテンシャル表面を介して内側では[[斥力]]が、外側では[[引力]]が働く為、分子の単位で[[熱力学]]的な粒子として振舞っている。


[[塩 (化学)|塩]]や[[共有結合結晶]]については、[[グラフェン]]のように[[平面]]的に、あるいは[[ダイヤモンド]]、[[石英]]、[[塩化ナトリウム]]のように3次元的に広がる[[単位胞|単位格子]]の繰り返しで構成されていることが多く、典型的な分子を定義することはできない。また、[[金属結合]]を伴う凝縮相（固体または液体）であるほとんどの金属にも、単位格子構造の繰り返しという論旨は当てはまる。したがって、固体金属は分子でできているわけではない。[[ガラス]]は、ガラス質の無秩序な状態で存在する固体であり、原子は化学結合によって結合しているが明確な分子は存在せず、塩、共有結合結晶、金属を特徴づける単位格子構造を繰り返す規則性も存在しない。{{Clear}}
一方、イオン性物質や金属は結晶や[[クラスター (物質科学)|クラスター]]を単位としてみれば、電荷や表面ポテンシャルの面では巨大分子と考えられるが、（巨大）分子を構成する原子数が一定ではない{{efn|もちろん原子の構成比は物質により一定である。}}という点で、共有結合性物質とでは集合体としての分子の意味合いが異なる。


== 結合 ==
例えば共有結合性[[単体]]であっても分子の形態はさまざまである。たとえば[[炭素]]は[[グラファイト]]、[[ダイヤモンド]]、[[カーボンナノチューブ]]は原子数不定の巨大分子を形成する一方、[[フラーレン]]分子の原子数は一定である。[[窒素]]、[[フッ素]]は二原子分子で安定であるが、[[酸素]]は二原子あるいは三原子で安定な分子を形成する。[[硫黄]]は八原子分子が安定であり巨大分子（ゴム状硫黄）も形成する。このように分子の構成は成分の原子の性質によりさまざまに変化する。
一般に、分子は[[共有結合]]によって結ばれている。いくつかの非金属元素は、自由原子としては存在せず、環境中では化合物または[[等核分子]]としてのみ存在するものがある。水素はその例である。
<gallery>
Image:Eight Allotropes of Carbon.png|炭素分子
Image:Dioxygen-montage.png|二酸素分子(O<sub>2</sub>)
Image:Ozone-montage.png|オゾン(O<sub>3</sub>)
</gallery>
最外殻電子に欠員を持つ原子は、他の原子と化学結合を形成すると安定になる。そのため通常の条件下で単原子分子として存在する元素は、[[第18族元素]]に限られる。しかし[[宇宙空間]]など高度に希釈された条件下では、他の元素の単原子分子も存在しうる。


金属結晶は、[[金属結合]]によってまとめられた1つの巨大な分子と見なすことができると言う人もいれば<ref>{{cite book |last1=Harry |first1=B. Gray |title=Chemical Bonds: An Introduction to Atomic and Molecular Structure |pages=210–211 |url=https://authors.library.caltech.edu/105209/15/TR000574_06_chapter-6.pdf |access-date=22 November 2021 |archive-date=31 March 2021 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210331062040/https://authors.library.caltech.edu/105209/15/TR000574_06_chapter-6.pdf |url-status=live }}</ref>、金属は分子とはまったく異なるふるまいをすると指摘する人もいる<ref>{{cite web |title=How many gold atoms make gold metal? |url=https://phys.org/news/2015-04-gold-atoms-metal.html |website=phys.org |access-date=22 November 2021 |language=en |archive-date=30 October 2020 |archive-url=https://web.archive.org/web/20201030202803/https://phys.org/news/2015-04-gold-atoms-metal.html |url-status=live }}</ref>。
また、気体状態の[[酢酸]]分子の二量体を形成するなど物理化学的粒子と分子としての単位と合致しない状態もとり得る。


=== 共有結合 ===
分子の単位質量は分子量であるが、分子量の大小により'''低分子'''あるいは'''高分子'''と区分されることがある。両者の境界はあいまいであるが、およそ分子量で10<sup>3</sup>から10<sup>4</sup>を境にしてそれ以下の分子を低分子、それ以上の分子を[[高分子]]と呼ぶ。高分子の代表としては[[ゴム]]、[[プラスチック]]、[[タンパク質]]、[[デオキシリボ核酸|DNA]]などがある。
[[File:Covalent bond hydrogen.svg|thumb|right|2つの[[水素原子]]が2つの電子を共有してH<sub>2</sub>(右)を形成する共有結合を示す]]{{main|共有結合}}共有結合（''covalent bond''）は、[[原子]]と原子の間で[[電子対]]（電子の組）を共有する[[化学結合]]である。これらの電子対を「共有対」または「結合対」と呼び、原子間で電子を共有するときの引力と斥力（反発力）が安定した均衡をもたらす状態を「共有結合」と呼ぶ<ref>{{cite book| author2= Brad Williamson| author3= Robin J. Heyden| last= Campbell| first= Neil A.| title= Biology: Exploring Life| url= http://www.phschool.com/el_marketing.html| access-date= 2012-02-05| year= 2006| publisher= [[:en:Pearson Prentice Hall|Pearson Prentice Hall]]| location= Boston| isbn= 978-0-13-250882-7| archive-date= 2 November 2014| archive-url= https://web.archive.org/web/20141102041816/http://www.phschool.com/el_marketing.html| url-status= live}}</ref>。


== 分子構造 ==
=== イオン結合 ===
{{main|イオン結合}}[[File:NaF.gif|thumb|left|[[ナトリウム]]と[[フッ素]]が酸化還元反応を起こして[[フッ化ナトリウム]]を生成する。ナトリウムは外側の[[電子]]を失って安定した[[電子配置]]になり、この電子は{{仮リンク|発熱過程|en|Exothermic process|label=発熱的}}にフッ素原子に入る。]]
[[画像:Palytoxin.svg|thumb|[[パリトキシン]]（C<sub>129</sub>H<sub>223</sub>N<sub>3</sub>O<sub>54</sub>）の構造式]]
[[画像:立体モデル Palytoin.jpg|thumb|パリトキシンの分子モデル（CPKモデル）]]
原子間に働く[[電磁相互作用|静電相互作用]]（[[クーロンの法則|クーロン力]]）により、原子は分子として集合している。力の作用がその力の種類により方向性や距離による力の強度変化が異なるため、分子はその構成する原子の種類や配置により秩序だった構造を取る。分子の内部あるいは分子間で相互の原子に作用することを[[化学結合]]と呼ぶ。


イオン結合（''ionic bonding''）は、逆荷電を持つ[[イオン (化学)|イオン]]間で[[静電引力]]を伴う[[化学結合]]の一種で、[[イオン化合物]]で生じる主要な相互作用である。イオンとは、1つまたは複数の[[電子]]を失った原子（[[カチオン]]）と、1つまたは複数の電子を獲得した原子（[[アニオン]]）のことである<ref>{{Cite book|url=https://books.google.com/books?id=6VdROgeQ5M8C&q=ionic+bonding+-wikipedia&pg=PA7|title=Elements of Metallurgy and Engineering Alloys|last=Campbell|first=Flake C.|year=2008|publisher=[[:en:ASM International|ASM International]]|isbn=978-1-61503-058-3|language=en|access-date=27 October 2020|archive-date=31 March 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210331062041/https://books.google.com/books?id=6VdROgeQ5M8C&q=ionic+bonding+-wikipedia&pg=PA7|url-status=live}}</ref>。このような電子の移動は、[[共有結合]]とは対照的に「電気原子価（''electrovalence''）」と呼ばれる。最も単純なケースでは、カチオンは[[金属]]原子、アニオンは[[非金属元素|非金属]]原子であるが、イオンの中にはNH<sub>4</sub><sup>+</sup>やSO<sub>4</sub><sup>2−</sup>のような分子イオンのように、より複雑な性質を持つものも存在する。常温常圧では、ほとんどの場合、イオン結合は個別に識別可能な分子を持たない固体（場合によっては液体）を形成するが、そのような物質が気化／昇華すると個別の分子が生じる（結合が（共有結合ではなく）イオン結合と見なされるだけの十分な電子が移動する）。
言い換えるならば、同じクーロン力を元にしていても、化学結合の種類と作用距離に応じて分子は構造的な特徴を現わすとともに、原子・分子・結晶といったような構造的な階層を形成する。
{{clear}}


== 分子の大きさ ==
すなわち分子の内部構造が分子間の相互作用に変化を及ぼすために、物質の性質はそれを構成する原子の構成比率だけでは決定づけられず、[[分子構造]]が物性の発現に強く関わっている。例えば[[無機化合物]]の一種に見られる[[高温超伝導]]は、特定の精密な分子構造が要因となり発現する。
ほとんどの分子は肉眼で見ることができないほど小さいが、[[デオキシリボ核酸|DNA]]のような[[生体高分子]]を含む多くの[[ポリマー]]の分子は[[巨視的]]な大きさに達することがある。有機合成の構成要素として用いられる分子の大きさは、一般的に数[[オングストローム]]（Å）から数十オングストローム（10億分の1メートル）程度である。この大きさでは可視光の波長以下の為、顕微鏡など[[光|光学的]]な像として個々の分子を観察することはできない。したがって通常目にする[[物質]]は結晶やクラスターなど集団としての分子を目にしていることになる。分子の単位質量は[[分子量]]が用いられ、およそ分子量で10<sup>3</sup>から10<sup>4</sup>を境に、それ以下の分子を低分子、それ以上の分子を[[高分子]]と呼ぶ。


単一の分子の姿は測定器を介して観測するしかないが、[[原子間力顕微鏡]]（AFM）を用いると、低分子（[[小分子]]）や個々の原子の輪郭を追跡できることがある。もっとも大きな分子には[[超分子]]がある。最も小さな分子は[[二原子分子|二原子]]水素（H<sub>2</sub>）で、結合長は0.74 Åである<ref>{{cite book| author= Roger L. DeKock| author2= Harry B. Gray| author3= Harry B. Gray| title= Chemical structure and bonding| url= https://books.google.com/books?id=q77rPHP5fWMC&pg=PA199| date= 1989| publisher= University Science Books| isbn= 978-0-935702-61-3| page= 199| access-date= 27 October 2020| archive-date= 31 March 2021| archive-url= https://web.archive.org/web/20210331062042/https://books.google.com/books?id=q77rPHP5fWMC&pg=PA199| url-status= live}}</ref>。
無機化合物も精密で複雑な分子構造を持つが、[[有機化合物]]においては更に多様な分子構造とそれに応じた機能を持つ。今日では有機化合物の分子構造とその構造に特有な機能により生命現象が成り立っていることが明らかとなり、生命の本質と化学構造について[[分子生物学]]の分野で研究が進められている。


有効分子半径は、溶液中で分子が示す大きさである<ref>{{cite journal
分子の表示方法である[[化学式]]も分子構造をどの程度まで意識するかで使い分けられる。最も単純に原子の組成のみを示した[[化学式#組成式|組成式]]は化学構造の違いを区別する必要のない場合に利用される。構造が単純で[[異性体]]など構造的な紛らわしさがない場合は[[トポロジー|トポロジカル]]な、つまり実際の配置を抽象化し原子の連結関係を示した[[化学式#構造式|示性式]]で表現される。更に複雑な構造においては[[化学式#構造式|構造式]]が利用される。
|author=Chang RL |author2=Deen WM |author3=Robertson CR |author4=Brenner BM
|title=Permselectivity of the glomerular capillary wall: III. Restricted transport of polyanions
|journal=Kidney Int.
|volume=8
|issue=4
|pages=212–218
|year=1975
|pmid=1202253
|doi=10.1038/ki.1975.104
|doi-access=free
}}</ref><ref>{{cite journal
|author=Chang RL |author2=Ueki IF |author3=Troy JL |author4=Deen WM |author5=Robertson CR |author6=Brenner BM
|title=Permselectivity of the glomerular capillary wall to macromolecules. II. Experimental studies in rats using neutral dextran
|journal=Biophys. J.
|volume=15
|issue=9
|pages=887–906
|year=1975
|pmid=1182263
|doi=10.1016/S0006-3495(75)85863-2
|pmc=1334749
|bibcode= 1975BpJ....15..887C}}</ref>。{{仮リンク|各物質の透過選択性の表|en|Table of permselectivity for different substances}}にその例が示されている。


== 分子式 ==
構造式は分子構造を抽象的に表現するが、[[分子動力学法|分子動力学]]など原子の配置の向きや距離を厳密に識別する場合においては[[分子モデル]]が分子構造の表現方法として採用される。


== 比喩表現 ==
=== 化学式の種類 ===
{{Main|化学式}}分子の[[化学式]]は、[[化学元素|元素]]記号や数字のほか、丸かっこ、ダッシュ（'）、角かっこ（[]）、プラス（+）、マイナス（-）などの記号を用いて1行で表示する。これらは下付き文字と上付き文字を含むこともあり、活版印刷の1行で表現できるように制限されている。
* 不満分子 - 社会体制や集団の規律に不満を持ち、反抗する人物のことを指す<ref>{{Cite web|url=https://kotobank.jp/word/%E4%B8%8D%E6%BA%80%E5%88%86%E5%AD%90-690142|title=不満分子(フマンブンシ)とは|publisher=[[コトバンク]]|accessdate=2018-09-29}}</ref>。


化合物の[[実験式]]は、非常に単純な種類の化学式である。<ref>{{Cite book|url=https://books.google.com/books?id=6wUmteTIc18C&q=empirical+formula&pg=PA288|title=The Practice of Chemistry|last1=Wink|first1=Donald J.|last2=Fetzer-Gislason|first2=Sharon|last3=McNicholas|first3=Sheila|year=2003|publisher=Macmillan|isbn=978-0-7167-4871-7|language=en|access-date=27 October 2020|archive-date=10 April 2022|archive-url=https://web.archive.org/web/20220410070618/https://books.google.com/books?id=6wUmteTIc18C&q=empirical+formula&pg=PA288|url-status=live}}</ref>これは、化合物を構成する[[元素|化学元素]]の最も単純な[[整数]][[比]]のことである<ref>{{Cite web|url=http://www.chemteam.info/Mole/EmpiricalFormula.html|title=ChemTeam: Empirical Formula|website=www.chemteam.info|access-date=2017-04-16|archive-date=19 January 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210119114516/https://www.chemteam.info/Mole/EmpiricalFormula.html|url-status=live}}</ref>。たとえば、水は常に[[水素]]原子と[[酸素]]原子が2：1の比率で構成され、[[エタノール]]（エチルアルコール）は常に[[炭素]]、水素、酸素が2：6：1の比率で構成されている。ただし、これによって分子の種類を一意に決めるものではなく、たとえば[[ジメチルエーテル]]はエタノールと同じ比率である。同じ[[原子]]を異なる配置で持つ分子を[[異性体]]と呼ぶ。また、たとえば炭水化物は同じ比率（炭素：水素：酸素＝1：2：1。したがって実験式も同じ）を持つが、分子内の総原子数は異なる。
== 参考文献 ==
* 井口洋夫「分子」『世界大百科事典』CD-ROM版、平凡社、1998年。
* [[長倉三郎]] ほか（編）「分子」『岩波理化学辞典』第5版 CD-ROM版、岩波書店、1998年。


[[分子式]]は、分子を構成する原子の正確な数を反映し、異なる分子を特徴づける。ただし、異なる異性体は、異なる分子であっても、同じ原子組成を持つことがある。
== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}


実験式と分子式が同じであることがよくあるが、常にそうとは限らない。たとえば、[[アセチレン]]分子の分子式はC<sub>2</sub>H<sub>2</sub>であるが、その元素の最も単純な整数比はCHである。
=== 注釈 ===
{{Notelist}}


[[分子量]]は、[[化学式]]から計算することができ、中性炭素12（[[炭素|<sup>12</sup>C]][[同位体]]）原子の質量の1/12に相当する通常の[[原子質量単位]]で表される。{{仮リンク|ネットワーク共有結合|en|Network covalent bonding|label=ネットワーク固体}}の場合、[[化学量論]]的計算の際に{{仮リンク|式単位|en|Formula unit}}という用語を使用する。{{Clear}}
=== 出典 ===

{{Reflist|2}}
=== 構造式 ===
[[File:Atisane3.png|thumb|right|upright=1.8|[[テルペノイド]]分子アチサンの[[3次元]](左、中央)と[[2次元]](右)の分子モデル]]{{Main|構造式}}複雑な3次元構造を持つ分子、特に4つの異なる置換基と結合した原子を含む分子では、単純な分子式や[[示性式]]<!-- semi-structural chemical formula -->でさえ、分子を完全に特定できない場合がある。そのような場合には、[[構造式]]と呼ばれるグラフィカルな式が必要になることがある。構造式は一次元の化学名で表すこともできるが、そうした{{仮リンク|化学命名法|en|Chemical nomenclature}}には化学式の一部に含まれない多くの単語や用語が必要である。{{Clear}}

== 分子構造 ==
{{Main|分子構造}}[[File:Cyanostar STM.png|thumb|left|upright|シアノスター[[デンドリマー]]分子の構造式と[[走査型トンネル顕微鏡|STM]]画像<ref>{{cite journal|doi=10.1039/C4CC03725A|pmid=25080328|title=Anion-induced dimerization of 5-fold symmetric cyanostars in 3D crystalline solids and 2D self-assembled crystals|journal=Chemical Communications|volume=50|issue=69|pages=9827–30|year=2014|last1=Hirsch|first1=Brandon E.|last2=Lee|first2=Semin|last3=Qiao|first3=Bo|last4=Chen|first4=Chun-Hsing|last5=McDonald|first5=Kevin P.|last6=Tait|first6=Steven L.|last7=Flood|first7=Amar H.|url=https://zenodo.org/record/889879|access-date=20 April 2018|archive-date=31 March 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210331062049/https://zenodo.org/record/889879|url-status=live}}</ref>]]

分子は、{{仮リンク|力学的平衡|en|Mechanical equilibrium|label=平衡幾何構造}}（結合の長さや角度）が決まっており、振動や回転によって連続的に運動している。[[純物質]]は、同じ平均的な幾何構造を持つ分子で構成されている。分子の化学式と構造は、その分子の性質、特に{{仮リンク|反応性 (化学)|en|Reactivity (chemistry)|label=反応性}}を決定する重要な要素である。[[異性体]]は、化学式は同じだが構造が異なるため、通常、性質が大きく異なる。[[立体異性体]]という特種な異性体は、非常によく似た物理化学的性質を持つと同時に、異なる[[生化学]]的活性を持つことがある。
== 分子分光法 ==
{{Main|分光法}}[[File:Dehydrogenation of H2TPP by STM.jpg|thumb|upright=1.3|(a)[[走査型トンネル顕微鏡]](STM)の探針に過剰な電圧をかけることで、個々の[[テトラフェニルポルフィリン|H<sub>2</sub>TPP]]分子から水素を除去することができる。この除去によって、同じSTM探針を用いて測定したTPP分子の電流-電圧(I-V)曲線が、[[ダイオード]]のような曲線(bの赤い曲線)から[[抵抗器|抵抗]]のような曲線(緑の曲線)に変化する。画像(c)は、TPP、H<sub>2</sub>TPP、TPP分子が並んだ列を示している。画像(d) スキャンしながら、黒い点の部分でH<sub>2</sub>TPPに過剰な電圧をかけると、(d)の下部と再スキャン画像(e)に示すように、瞬時に水素が除去された。このような操作は、[[分子素子|単一分子エレクトロニクス]]に応用することができる<ref>{{cite journal|doi=10.1038/srep08350|pmid=25666850|pmc=4322354|title=N and p type character of single molecule diodes|journal=Scientific Reports|volume=5|page=8350|year=2015|bibcode= 2015NatSR...5E8350Z|last1=Zoldan|first1=V. C.|last2=Faccio|first2=R|last3=Pasa|first3=A.A.}}</ref>。]]

'''分子分光法'''（ぶんしぶんこうほう、{{Lang-en-short|molecular spectroscopy}}）は、[[エネルギー]]（[[プランクの公式]]による周波数）が既知のプローブ信号に相互作用する分子の応答（[[スペクトル]]）を扱う分析手法である。分子はエネルギー準位が量子化されており、分子のエネルギー交換を[[吸光]]または[[発光]]で検出することで分析することができる<ref name="iupac2">{{GoldBookRef|title=Spectroscopy|file=S05848|accessdate=23 February 2016}}</ref>。一般に分子分光法は、[[中性子]]・[[電子]]・高エネルギー[[X線]]などの粒子が（結晶のように）規則的に配置された分子と相互作用する[[回折]]研究を指すものではない。

[[マイクロ波分光法]]は、分子の回転の変化を測定し、宇宙空間にある分子を識別するために一般に利用される。[[赤外分光法|赤外線分光法]]は、分子の伸縮、屈曲、ねじれなどの振動を測定する。これは、分子内の結合や[[官能基]]の種類を特定するために一般に使用される。電子の配列の変化により、紫外光、可視光、または[[近赤外光]]に吸収線や輝線が生じ、色が発生する。[[核磁気共鳴分光法]]は、分子内の特定の[[原子核]]の環境を測定し、分子内の異なる位置にある原子の数を特徴付けるために使用される。

== 理論的側面 ==
[[分子物理学]]や[[理論化学]]による分子の研究は、主に[[量子力学]]に基づいており、[[化学結合]]を理解するうえで不可欠である。最も単純な分子は[[水素分子イオン]] H<sub>2</sub><sup>+</sup>であり、すべての化学結合の中で最も単純なものは[[共有結合#1%E9%9B%BB%E5%AD%90%E7%B5%90%E5%90%88%E3%81%A83%E9%9B%BB%E5%AD%90%E7%B5%90%E5%90%88|1電子結合]]である。H<sub>2</sub><sup>+</sup>は正荷電の[[陽子]]2個と負荷電の[[電子]]1個で構成され、電子間反発がないため、この系の[[シュレーディンガー方程式]]はより簡単に解くことができる。高速[[デジタルコンピュータ|デジタルコンピューター]]の発達により、より複雑な分子に対する近似解が可能になり、[[計算化学]]の主要な一面を担っている。

[[国際純正・応用化学連合|IUPAC]]は、ある原子配列が分子として「十分に安定か」どうかを厳密に定義しようとする場合、「少なくとも1つの振動状態を閉じ込めるのに十分な深さの[[ポテンシャルエネルギー曲面]]上のくぼみに対応する必要がある」と提案している<ref name="iupac4">IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. {{DOI|10.1351/goldbook.M04002}}.</ref>。この定義は、原子間の相互作用の性質には依存せず、相互作用の強さのみに依存する。実際、[[ヘリウム]]の[[二量体]]である[[ヘリウム二量体|He<sub>2</sub>]]は、振動[[束縛状態|結合状態]]が1つで<ref>{{cite journal |author=Anderson JB |title=Comment on "An exact quantum Monte Carlo calculation of the helium-helium intermolecular potential" [J. Chem. Phys. 115, 4546 (2001)] |journal=J Chem Phys |volume=120 |issue=20 |pages=9886–7 |date=May 2004 |pmid=15268005 |doi=10.1063/1.1704638 |bibcode= 2004JChPh.120.9886A|doi-access=free }}</ref>、結合が非常に弱いため、極低温でしか観測されない可能性があるが、こうした弱い結合の種も分子と見なされている。

原子の配列が「十分に安定か」どうかは、本質的には運用上の定義である。したがって、哲学的には分子は基本的な実体ではなく（たとえば[[素粒子]]と対照的）、むしろ分子という概念は、化学者が、私たちが観察する世界における原子スケールでの相互作用の強さについて、有用な意見を述べる方法である。{{Clear}}

== 出典 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}

== 参考文献 ==
* {{Cite book|和書|title=現代化学史　原子・分子の化学の発展|url=https://www.worldcat.org/oclc/862767435|publisher=京都大学学術出版会|date=2013-10-05|isbn=978-4-87698-283-7|oclc=862767435|others=Noboru Hirota, 襄 廣田|year=2013|page=45}}


== 関連項目 ==
== 関連項目 ==
{{div col|colwidth=23em}}
{{commonscat|Molecules}}
* [[原子]] - 元素を構成する最小単位
{{Wiktionary}}
* {{仮リンク|化学極性|en|Chemical polarity}} - 分子またはその化学基における電荷の分離
* [[原子]]
* [[化学構造]] - 物質の化学的性質を分子などの内部構造と関連させた概念
* [[化学結合]]
* [[化学結合]] - 分子や結晶を形成するための原子やイオン間の持続的な引力
* [[共有結合]]
* [[共有結合]] - 原子間に電子を共有して電子対を形成する化学結合
* [[高分子]]
* [[二原子分子]] - 2つの原子のみからなる分子
* [[金属]]
* [[化合物一覧|化合物の一覧]]
* [[分子動力学法]]
* [[星間分子の一覧]] - 星間物質と星周外層で検出された分子の一覧
* [[分子生物学]]
* [[分子生物学]] - 生命活動の分子的基盤に対する生物学の一分野
* [[分子遺伝学]]
* [[分子遺伝学]] - 生物の進化や遺伝現象に対するDNA分子の関わりを研究する生物学の一分野
* [[分子動力学法]] - 原子や分子の物理的な動きを解析するコンピューターシミュレーション手法
* {{仮リンク|分子設計ソフトウェア|en|Molecular design software}} - 分子モデルをde novo(新規)で構築するためのコンピュータソフトウェア
* [[分子工学]] [[:en:Molecular engineering|<small>(英語版)</small>]]- 機能的な材料・システム・プロセスにおける分子の特性、挙動、相互作用を扱う学問分野
* [[分子構造]] - 分子を構成する原子の3次元的な配置
* {{仮リンク|分子ハミルトニアン|en|Molecular Hamiltonian}} - 分子内の電子や原子核のエネルギーを表すハミルトニアン演算子
* {{仮リンク|マススペクトルの解釈|en|Mass spectral interpretation}} - マススペクトルから化学式、特徴的なパターンなどを同定する方法
* [[分子モデリング]] - 分子の挙動をモデル化し模倣するための理論および計算手法
* {{仮リンク|分子乱雑性|en|Molecular promiscuity}} - 分子が他の分子と相乗的または拮抗的に結合し、相互作用する能力
* [[分子軌道]] - 分子内の電子の位置と波動性を記述した数学的関数
* {{仮リンク|非共有相互作用|en|Non-covalent interaction}} - 電子の共有を伴わない、分子間または分子内の電磁相互作用
* {{仮リンク|小分子の周期系|en|Periodic systems of small molecules}} - 元素の周期表と類似した分子の図表
* [[小分子]] - 生物学的プロセスを調節する可能性のある低分子量の有機化合物
* [[分子力学モデリング用ソフトの比較]] - 分子力学法や分子動力学法で用いられるコンピュータプログラムの一覧
* {{仮リンク|ファンデルワールス分子|en|Van der Waals molecule}} - ファンデルワールス力などの分子間引力や水素結合によって結合している原子や分子の弱い複合体
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== 外部リンク ==
== 外部リンク ==
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* {{Kotobank}}
* {{Kotobank}}
* [http://www.chm.bris.ac.uk/motm/motm.htm 今月の分子 (Molecule of the Month)] - ブリストル大学, 化学科 {{En icon}}


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曖昧さ回避 この項目では、化学、物理学における分子について説明しています。算数、数学における分子については「分数」をご覧ください。
分子
組成 原子
相互作用 弱い相互作用
強い相互作用
電磁相互作用
重力相互作用
理論化 アメデオ・アヴォガドロ（1811年）
電荷 0
テンプレートを表示
5つの6炭素環を含むPTCDA分子が見える原子間力顕微鏡(AFM)画像[1]。
5つの炭素環が直鎖状に連なったペンタセン分子の走査型トンネル顕微鏡(STM)画像[2]。
1,5,9-トリオキソ-13-アザトリアンギュレンのAFM画像とその化学構造[3]。

分子（ぶんし、英: molecule）とは、2つ以上の原子から構成される電荷的に中性な物質を指す。厳密には、分子は少なくとも1つ以上の振動エネルギー準位を持つほどに充分に深いエネルギーポテンシャル表面のくぼみを共有する原子の集まりを指す[4]。この基準を満たすイオンは、文脈によって含まれる場合もあれば含まれない場合もある[5][6][7][8][9]。量子物理学、有機化学、生化学の分野では、イオンとの区別をせず、多原子イオンを指して分子が使われることが多い。

概要

[編集]

分子には、酸素分子（酸素原子2つ、O2）のように1つの化学元素の原子からなる等核分子と、水（水素原子2つと酸素原子1つ、H2O）のように2つ以上の元素からなる異核分子がある。気体分子運動論では、あらゆる気体粒子はその組成にかかわらず分子と呼ばれることが多い。これは、希ガスが単原子で安定な化学種であるため（単原子分子とも呼ばれる）、分子が2つ以上の原子を含むという要件を緩和したことによる[10]。水素結合やイオン結合など非共有結合（英語版）で結合された原子や複合体は、通常、単一分子とはみなされない[11]。

分子のような概念は古くから議論されてきたが、分子とその結合の本質に関する近代的な研究は17世紀に始まった。ロバート・ボイル、アメデオ・アヴォガドロ、ジャン・ペラン、ライナス・ポーリングといった科学者たちによって、時間をかけて洗練された分子の研究は、今日では分子物理学または分子化学として知られている。

語源

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メリアム＝ウェブスターやオンライン・エティモロジー・ディクショナリーによると、「分子（molecule）」という言葉は、ラテン語の「moles」すなわち「質量の小さな単位」に由来する。語源はフランス語の molécule（1678）で、ラテン語の moles 「mass, barrier（質量、境界）」の指小辞である新ラテン語の molecula に由来する。18世紀後半までラテン語の形でしか使われなかったこの言葉は、デカルトの哲学書で使われたことで人気を博した[12][13]。

歴史

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→詳細は「分子論の歴史」を参照

分子の構造に関する知識が増えるにつれて、分子の定義も進化してきた。初期の定義では、分子を「その組成と化学的性質を保持する純粋な化学物質の最小の粒子」と定義していたが、あまり正確ではなかった[14]。しかし、岩石、塩類、金属など身近な物質の多くは、化学的に結合した原子やイオンの大きな結晶ネットワークで構成されており、個別の分子でできている訳ではないため、この定義はしばしば破綻する。

現代の分子の概念は、レウキッポスやデモクリトスなど、すべての宇宙は原子と空隙で構成されていると主張した科学以前のギリシャの哲学者までさかのぼることができる。紀元前450年頃、エンペドクレスは、基本元素（火（）、土（）、空気（）、水（））と、それらの元素が相互作用する引力と斥力という「力」を想像した。

第5番目の元素である「不壊（ふえ）の真髄」であるエーテルは、天体の基本的な構成要素と考えられていた。レウキッポスやエンペドクレスの視点は、エーテルとともにアリストテレスに受け入れられ、中世およびルネサンス期のヨーロッパに受け継がれた。

しかし、より具体的には、「分子」、すなわち原子が結合した集合体や単位という概念は、ロバート・ボイルが1661年に出版した有名な著書『懐疑的化学者（The Sceptical Chymist）』の中で、「物質は微粒子の集団から構成されており、化学変化はその集団の再編成によって生じる」とした彼の仮説に端を発している。ボイルは、物質の基本要素は「微粒子（corpuscles）」と呼ばれる種類や大きさの異なる粒子で構成されており、これらの粒子は自身を集団に編成することができると主張した。1789年に、ウィリアム・ヒギンズ（英語版）が、原子価結合の概念を予示となる「究極の」粒子の組み合わせと呼ぶものについての見解を発表した。ヒギンズによれば、たとえば酸素の究極粒子と窒素の究極粒子の間の力は6であり、力の強さはそれに応じて分割され、他の究極粒子の組み合わせについても同様である。

ドルトンの原子説 (J.Dalton,A New System of Chemical Philosophy,1808)。
1.水素、4.酸素、21.水
ドルトンは水素と酸素が1対1で反応し水が生成すると考えている。

ジョン・ドルトンが1803年に原子論を、1804年に倍数比例の法則により原子の存在を提唱した。しかし現代の電子と原子核から構成される粒子のような構造的な概念ではなく、化学反応が一定の単位質量を基に進行するという量的概念であった[15]。

「分子（molecule）」という言葉はアメデオ・アヴォガドロが作り出した[16]。1811年の論文「物体の素分子の相対質量の決定に関するエッセイ」（Essay on Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies）で、彼は本質的に次のように述べている。すなわち、パーティントン（英語版）の『化学の歴史（A Short History of Chemistry）』によると[17]、

気体の最小粒子は必ずしも単純な原子ではなく、これらの原子が特定の数だけ引力で結合して一個の分子（molecule）を形成している。

こうした考え方と同調して、1833年にフランスの化学者マルク・アントワーヌ・オーギュスト・ゴーダン（英語版）は、アボガドロの原子量に関する仮説を[18]、直線状の水分子のような半正確な分子形状と、H2Oのような正確な分子式の両方を明確に示す体積図（volume diagrams）を使って明確に説明した。

マルク・アントワーヌ・オーギュスト・ゴーダンによる気相における分子の体積図 (1833)

1917年、ライナス・ポーリングという無名のアメリカの化学技術者が、原子間結合を記述する方法として当時主流であったドルトンのフックアンドアイ結合[訳語疑問点]を研究していた。しかし、ポーリングはこの方法に満足せず、新たな分野である量子物理学に新しい方法を求めた。1926年、フランスの物理学者ジャン・ペランが、分子の存在を決定的に証明したことによりノーベル物理学賞を受賞した。彼は、いずれも液相系に関する3種類の方法で計算することによりアボガドロ定数を決定した。1番目はガンボージ石鹸のようなエマルションを使用し、2番目はブラウン運動を実験的に研究し、3番目はアインシュタインの液相における粒子回転の理論を検証した[19]。

1927年、物理学者フリッツ・ロンドンとヴァルター・ハイトラーは、新しい量子力学を、水素分子における可飽和性で非動的な引力と斥力、すなわち交換力の取り扱いに適用した。この問題を原子価結合の観点から扱った彼らの共同論文は、化学を量子力学の下に置くという点で画期的であった[20]。彼らの研究は、博士号を取得したばかりのポーリングに影響を与え、グッゲンハイム・フェローシップでチューリッヒのハイトラーやロンドンを訪問した。

水素の s 軌道と重なる sp³ 混成軌道の模式図

その後、1931年にポーリングは、ハイトラーとロンドンの研究、およびルイスの有名な論文に見られる理論に基づいて、量子力学を用いて分子の性質や結合角・結合に伴う回転といった構造式を計算する画期的な論文「化学結合の本性（The Nature of the Chemical Bond）」を発表した[21]。これらの概念に基づいて、ポーリングは、4つの sp³ 混成軌道が水素の 1s 軌道に重なって4つの σ結合を形成する CH4 のような分子の結合を説明する混成理論を開発した。この4つの結合は同じ長さと強さであるため、下図に示すような分子構造になる。

分子科学

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分子科学（molecular science）は、化学と物理のどちらに重点を置くかによって、「分子化学（molecular chemistry）」または「分子物理学（molecular physics）」と呼ばれる。分子化学は、化学結合の形成や切断といった分子間の相互作用を支配する法則を扱い、分子物理学は、分子の構造や特性を支配する法則を扱う。しかし、実際にはこの区別は曖昧である。分子科学では、分子は2つ以上の原子が結合した安定した系（束縛状態）で構成されている。多原子イオンも電気を帯びた分子と見なすことができる。不安定分子（unstable molecule）という用語は、非常に反応性（英語版）の高い種、すなわちラジカル、分子イオン、リュードベリ分子（英語版）、遷移状態、ファンデルワールス錯体、ボース＝アインシュタイン凝縮のような原子の衝突系など、電子と原子核の一時的な集合体（共鳴）に対して使用される。

分子の形態

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物質の構成要素としての分子はありふれたものである。それらはまた、海や大気の大部分を構成している。ほとんどの有機物は分子である。タンパク質とその材料となるアミノ酸、核酸（DNAとRNA）、糖、炭水化物、脂質、ビタミンなど、生命を構成する物質は分子である。栄養素であるミネラルは、一般にイオン化合物であり、分子ではない（例：硫酸鉄）。

炭素の同素体（異なる分子構造）を示す: a:ダイヤモンド, b:グラファイト, c:ロンズデーライト, d,e,f:フラーレン, g:無定形炭素, h:カーボンナノチューブ

しかし、地球上の身近な固体物質の大半は、部分的または全部が結晶やイオン化合物でできており、分子でできているわけではない。これらには、地球の物質を構成するすべての鉱物、砂、粘土、小石、岩、巨礫、地殻、マントル、地球の核などが含まれる。これらはすべて、多くの化学結合を含んでいるが、識別可能な分子でできているわけではない。

塩や共有結合結晶については、グラフェンのように平面的に、あるいはダイヤモンド、石英、塩化ナトリウムのように3次元的に広がる単位格子の繰り返しで構成されていることが多く、典型的な分子を定義することはできない。また、金属結合を伴う凝縮相（固体または液体）であるほとんどの金属にも、単位格子構造の繰り返しという論旨は当てはまる。したがって、固体金属は分子でできているわけではない。ガラスは、ガラス質の無秩序な状態で存在する固体であり、原子は化学結合によって結合しているが明確な分子は存在せず、塩、共有結合結晶、金属を特徴づける単位格子構造を繰り返す規則性も存在しない。

結合

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一般に、分子は共有結合によって結ばれている。いくつかの非金属元素は、自由原子としては存在せず、環境中では化合物または等核分子としてのみ存在するものがある。水素はその例である。

金属結晶は、金属結合によってまとめられた1つの巨大な分子と見なすことができると言う人もいれば[22]、金属は分子とはまったく異なるふるまいをすると指摘する人もいる[23]。

共有結合

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2つの水素原子が2つの電子を共有してH2(右)を形成する共有結合を示す
→詳細は「共有結合」を参照

共有結合（covalent bond）は、原子と原子の間で電子対（電子の組）を共有する化学結合である。これらの電子対を「共有対」または「結合対」と呼び、原子間で電子を共有するときの引力と斥力（反発力）が安定した均衡をもたらす状態を「共有結合」と呼ぶ[24]。

イオン結合

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→詳細は「イオン結合」を参照
ナトリウムとフッ素が酸化還元反応を起こしてフッ化ナトリウムを生成する。ナトリウムは外側の電子を失って安定した電子配置になり、この電子は発熱的（英語版）にフッ素原子に入る。

イオン結合（ionic bonding）は、逆荷電を持つイオン間で静電引力を伴う化学結合の一種で、イオン化合物で生じる主要な相互作用である。イオンとは、1つまたは複数の電子を失った原子（カチオン）と、1つまたは複数の電子を獲得した原子（アニオン）のことである[25]。このような電子の移動は、共有結合とは対照的に「電気原子価（electrovalence）」と呼ばれる。最も単純なケースでは、カチオンは金属原子、アニオンは非金属原子であるが、イオンの中にはNH4+やSO42−のような分子イオンのように、より複雑な性質を持つものも存在する。常温常圧では、ほとんどの場合、イオン結合は個別に識別可能な分子を持たない固体（場合によっては液体）を形成するが、そのような物質が気化／昇華すると個別の分子が生じる（結合が（共有結合ではなく）イオン結合と見なされるだけの十分な電子が移動する）。

分子の大きさ

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ほとんどの分子は肉眼で見ることができないほど小さいが、DNAのような生体高分子を含む多くのポリマーの分子は巨視的な大きさに達することがある。有機合成の構成要素として用いられる分子の大きさは、一般的に数オングストローム（Å）から数十オングストローム（10億分の1メートル）程度である。この大きさでは可視光の波長以下の為、顕微鏡など光学的な像として個々の分子を観察することはできない。したがって通常目にする物質は結晶やクラスターなど集団としての分子を目にしていることになる。分子の単位質量は分子量が用いられ、およそ分子量で103から104を境に、それ以下の分子を低分子、それ以上の分子を高分子と呼ぶ。

単一の分子の姿は測定器を介して観測するしかないが、原子間力顕微鏡（AFM）を用いると、低分子（小分子）や個々の原子の輪郭を追跡できることがある。もっとも大きな分子には超分子がある。最も小さな分子は二原子水素（H2）で、結合長は0.74 Åである[26]。

有効分子半径は、溶液中で分子が示す大きさである[27][28]。各物質の透過選択性の表（英語版）にその例が示されている。

分子式

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化学式の種類

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→詳細は「化学式」を参照

分子の化学式は、元素記号や数字のほか、丸かっこ、ダッシュ（'）、角かっこ（[]）、プラス（+）、マイナス（-）などの記号を用いて1行で表示する。これらは下付き文字と上付き文字を含むこともあり、活版印刷の1行で表現できるように制限されている。

化合物の実験式は、非常に単純な種類の化学式である。[29]これは、化合物を構成する化学元素の最も単純な整数比のことである[30]。たとえば、水は常に水素原子と酸素原子が2：1の比率で構成され、エタノール（エチルアルコール）は常に炭素、水素、酸素が2：6：1の比率で構成されている。ただし、これによって分子の種類を一意に決めるものではなく、たとえばジメチルエーテルはエタノールと同じ比率である。同じ原子を異なる配置で持つ分子を異性体と呼ぶ。また、たとえば炭水化物は同じ比率（炭素：水素：酸素＝1：2：1。したがって実験式も同じ）を持つが、分子内の総原子数は異なる。

分子式は、分子を構成する原子の正確な数を反映し、異なる分子を特徴づける。ただし、異なる異性体は、異なる分子であっても、同じ原子組成を持つことがある。

実験式と分子式が同じであることがよくあるが、常にそうとは限らない。たとえば、アセチレン分子の分子式はC2H2であるが、その元素の最も単純な整数比はCHである。

分子量は、化学式から計算することができ、中性炭素12（12C同位体）原子の質量の1/12に相当する通常の原子質量単位で表される。ネットワーク固体（英語版）の場合、化学量論的計算の際に式単位（英語版）という用語を使用する。

構造式

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テルペノイド分子アチサンの3次元(左、中央)と2次元(右)の分子モデル
→詳細は「構造式」を参照

複雑な3次元構造を持つ分子、特に4つの異なる置換基と結合した原子を含む分子では、単純な分子式や示性式でさえ、分子を完全に特定できない場合がある。そのような場合には、構造式と呼ばれるグラフィカルな式が必要になることがある。構造式は一次元の化学名で表すこともできるが、そうした化学命名法（英語版）には化学式の一部に含まれない多くの単語や用語が必要である。

分子構造

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→詳細は「分子構造」を参照
シアノスターデンドリマー分子の構造式とSTM画像[31]

分子は、平衡幾何構造（英語版）（結合の長さや角度）が決まっており、振動や回転によって連続的に運動している。純物質は、同じ平均的な幾何構造を持つ分子で構成されている。分子の化学式と構造は、その分子の性質、特に反応性（英語版）を決定する重要な要素である。異性体は、化学式は同じだが構造が異なるため、通常、性質が大きく異なる。立体異性体という特種な異性体は、非常によく似た物理化学的性質を持つと同時に、異なる生化学的活性を持つことがある。

分子分光法

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→詳細は「分光法」を参照
(a)走査型トンネル顕微鏡(STM)の探針に過剰な電圧をかけることで、個々のH2TPP分子から水素を除去することができる。この除去によって、同じSTM探針を用いて測定したTPP分子の電流-電圧(I-V)曲線が、ダイオードのような曲線(bの赤い曲線)から抵抗のような曲線(緑の曲線)に変化する。画像(c)は、TPP、H2TPP、TPP分子が並んだ列を示している。画像(d) スキャンしながら、黒い点の部分でH2TPPに過剰な電圧をかけると、(d)の下部と再スキャン画像(e)に示すように、瞬時に水素が除去された。このような操作は、単一分子エレクトロニクスに応用することができる[32]。

分子分光法（ぶんしぶんこうほう、英: molecular spectroscopy）は、エネルギー（プランクの公式による周波数）が既知のプローブ信号に相互作用する分子の応答（スペクトル）を扱う分析手法である。分子はエネルギー準位が量子化されており、分子のエネルギー交換を吸光または発光で検出することで分析することができる[33]。一般に分子分光法は、中性子・電子・高エネルギーX線などの粒子が（結晶のように）規則的に配置された分子と相互作用する回折研究を指すものではない。

マイクロ波分光法は、分子の回転の変化を測定し、宇宙空間にある分子を識別するために一般に利用される。赤外線分光法は、分子の伸縮、屈曲、ねじれなどの振動を測定する。これは、分子内の結合や官能基の種類を特定するために一般に使用される。電子の配列の変化により、紫外光、可視光、または近赤外光に吸収線や輝線が生じ、色が発生する。核磁気共鳴分光法は、分子内の特定の原子核の環境を測定し、分子内の異なる位置にある原子の数を特徴付けるために使用される。

理論的側面

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分子物理学や理論化学による分子の研究は、主に量子力学に基づいており、化学結合を理解するうえで不可欠である。最も単純な分子は水素分子イオン H2+であり、すべての化学結合の中で最も単純なものは1電子結合である。H2+は正荷電の陽子2個と負荷電の電子1個で構成され、電子間反発がないため、この系のシュレーディンガー方程式はより簡単に解くことができる。高速デジタルコンピューターの発達により、より複雑な分子に対する近似解が可能になり、計算化学の主要な一面を担っている。

IUPACは、ある原子配列が分子として「十分に安定か」どうかを厳密に定義しようとする場合、「少なくとも1つの振動状態を閉じ込めるのに十分な深さのポテンシャルエネルギー曲面上のくぼみに対応する必要がある」と提案している[4]。この定義は、原子間の相互作用の性質には依存せず、相互作用の強さのみに依存する。実際、ヘリウムの二量体であるHe2は、振動結合状態が1つで[34]、結合が非常に弱いため、極低温でしか観測されない可能性があるが、こうした弱い結合の種も分子と見なされている。

原子の配列が「十分に安定か」どうかは、本質的には運用上の定義である。したがって、哲学的には分子は基本的な実体ではなく（たとえば素粒子と対照的）、むしろ分子という概念は、化学者が、私たちが観察する世界における原子スケールでの相互作用の強さについて、有用な意見を述べる方法である。

出典

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[脚注の使い方]
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参考文献

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関連項目

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外部リンク

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