分子構造の基礎と決定法

分子構造（ぶんしこうぞう、英語: molecular structure または molecular geometry）とは、分子を構成する原子の幾何学的配置を指し、原子間距離や結合角、空間的な配向などが含まれます。

原子配置の決定要因

分子の構造は、構成する原子の電子雲による斥力と、化学結合による引力との均衡によって決定されます。閉殻電子に起因する斥力は球対称とみなすことができますが、s軌道以外の原子価軌道や混成軌道といった電子軌道は方向性を持っています。

また、引力の大きさは内殻電子による遮蔽を受けた原子核の有効電荷と、分子軌道上の電子分布によって決まります。原子が内部エネルギーによって振動しているため、分子構造が示す位置は平均的な重心位置を意味しています。

結合角

分子内の中心角は、分子構造の自由度が大きい場合、分子軌道の種類によってほぼ一定の値を持ちます。例えば炭素原子の場合、sp3混成軌道では約109.47度（109度28分）、sp2混成軌道では120度、sp混成軌道では180度の結合角をそれぞれ示します。

結合距離

化学結合を介した原子間の距離は、結合距離、結合の長さ、または原子間距離と呼ばれます。原子の種類と結合の種類（多重度など）により密接な関係があり、共有結合の場合はそれぞれの原子の共有結合半径の和、イオン結合の場合はイオン半径の和でおおよその値が表されます。

分子構造を解析する手法

分子構造を調べるための実験的アプローチとして、主に以下の手法が用いられます。

• 回折法：規則正しい構造を持つ試料に対して有効であり、波動の干渉作用を利用して原子の三次元配置を解析します。
• 分光法：回転スペクトルなどの観測を通じて慣性モーメントを求め、そこから原子間距離などの幾何学的なパラメータを計算します。