化学・物理における分子の構造と特性に関する基礎概念

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十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として定義される。

定義と構成

分子には、酸素分子のように1つの化学元素の原子からなる等核分子と、水のように2つ以上の元素からなる異核分子が存在する。希ガスなどの単原子で安定な化学種は単原子分子と呼ばれることもある。水素結合やイオン結合などの非共有結合によって結ばれた原子や複合体は、通常、単一の分子とはみなされない。

歴史的背景

近代的な分子の研究は17世紀に始まり、ロバート・ボイルによる微粒子の仮説に端を発する。1811年には、アメデオ・アヴォガドロが物体の素分子の相対質量に関する論文を発表し、分子概念の基礎を築いた。その後、20世紀に入ると量子力学が導入され、1931年にライナス・ポーリングが量子力学を用いて分子の性質や化学結合の構造を計算する画期的な研究を発表した。

化学結合の種類

分子を形成する主要な結合には以下のものがある。

• 共有結合：原子間で電子対を共有する化学結合であり、安定した均衡をもたらす。
• イオン結合：逆荷電を持つイオン間で静電引力を伴う結合であり、主にイオン化合物で生じる。

分子の大きさと観測

ほとんどの分子は肉眼では見えないほど小さいが、高分子などは巨視的な大きさに達することがある。単一の分子の姿は測定器を介して観測され、原子間力顕微鏡（AFM）を用いることで個々の分子の輪郭を追跡することが可能である。