分子：修订间差异

|G1=物理學

|1=zh-cn:阿伏伽德罗;zh-hk:阿佛加德羅;zh-tw:亞佛加厥

|2=zh-cn:道尔顿;zh-hk:道爾頓;zh-tw:道耳頓

{{about|構成物質的一種粒子|分數的組成部份|分数}}

| caption2 = 以[[掃描隧道顯微鏡|STM]]拍攝的[[並五苯]]分子（分子長度約 14 [[埃格斯特朗|Å]]），對照下圖的[[球棍模型]]可分辨出其分子中呈直線排列的五個[[苯環]]

'''分子'''（molecule）是一种构成物质的[[粒子]]，呈电中性、由單個或多個[[原子]]組成，原子之間因[[化學鍵]]而鍵結<ref name="iupac">{{GoldBookRef|title=molecule|url=http://goldbook.iupac.org/M04002.html|year=1994}}</ref><ref>{{cite book|author=Pauling, Linus |title=General Chemistry|location=New York|publisher=Dover Publications, Inc.|year=1970|isbn=0-486-65622-5}}</ref>。能够單獨存在、保持物质的[[化學性質]]；由分子組成的物質叫'''分子化合物'''。

一個分子是由多個[[原子]]在[[共價鍵]]中通过共用[[電子]]連接一起而形成。它可以由相同的化學[[元素]]构成，如[[氧氣]]分子<chem>O2</chem>；也可以由不同的元素构成，如[[水]]分子<chem>H2O</chem>。若原子之間由非共價鍵的化學鍵（如[[離子鍵]]）所結合，一般不會視為是單一分子<ref>[http://www.britannica.com/EBchecked/topic/388236/molecule Molecule] , Encyclopaedia Britannica on-line</ref>。

在不同的領域中，分子的定義也會有一點差異：在[[热力学]]中，构成物质的分子（如[[水分子]]）、原子（如[[碳原子]]）、离子（如[[氯离子]]）等在热力学上的表现性质都是一样的，因此，都统称为分子；在[[氣體動力論]]中，分子是指任何构成气体的粒子，此定義下，單原子的[[稀有气体|惰性氣體]]也可視為是分子<ref>{{cite book

|publisher=New Age Publishers|isbn=81-224-1512-1}}</ref>。而在[[量子物理]]、[[有機化學]]及[[生物化學]]中，多原子的離子（如[[硫酸根]]）也可以視為是一個分子。

[[File:Atisane3.png|缩略图|居中|510px|同一分子的不同畫法。左、中圖為立體模型，右圖為平面表示。（左）黑、白色球體分別代表碳、氫原子，球體間的柱體表示[[化學鍵]]。模型被一團雲包圍，代表著分子的表面，紅、藍色分別代表正、負電。（中）與左圖相似。淺藍、白色球體分別代表碳、氫原子，柱體表示化學鍵。（右）這種利用[[化學符號]]和直線來表示分子結構的畫法稱為[[結構式]]。]]

分子可根据其构成原子的数量（原子數）分为单原子分子，双原子分子等。

在[[氣体]]中，[[氫氣|氫分子]]（<chem>H2</chem>）、[[氮氣|氮分子]]（<chem>N2</chem>）、[[氧氣|氧分子]]（<chem>O2</chem>）、[[氟氣|氟分子]]（<chem>F2</chem>）和[[氯氣|氯分子]]（<chem>Cl2</chem>）的原子數是2；[[固体]]元素中，[[磷|黃磷]]（<chem>P4</chem>）原子數是4，[[硫]]（<chem>S8</chem>）的是8。所以，[[氬]]（<chem>Ar</chem>）是單原子的分子，[[氧氣]]（<chem>O2</chem>）是雙原子的，[[臭氧]]（<chem>O3</chem>）則是三原子的。

許多常見的有機物質都是由分子所組成的，海洋和大氣中大部份也是由分子組成的。但地球上主要的固體物質，包括[[地函]]、[[地殼]]及[[地核]]中雖也是由[[化學鍵]]鍵結，但不是由分子所構成。在[[離子晶體]]（像[[食鹽]]）及共價晶體有反覆出現的[[晶体结构]]，但也無法找到分子。固態金屬是用[[金屬鍵]]鍵結，也有其[[晶体结构]]，但也不是由分子組成。[[玻璃]]中的原子之間依化學鍵鍵結，但是既沒有分子的存在，其中也沒有類似晶體反覆出現的晶体结構。

== 歷史 ==

[[File:Dalton John desk.jpg|缩略图|130px|約翰·道爾頓]]

分子的概念最早是由意大利的[[阿莫迪欧·阿伏伽德罗]]提出，他于1811年发表了分子学说 ，认为：“原子是参加化学反应的最小质点，分子则是在游离状态下单质或化合物能够独立存在的最小质点。分子是由原子组成的，单质分子由相同元素的原子组成，化合物分子由不同元素的原子组成。在化学变化中，不同物质的分子中各种原子进行重新结合。”<ref>{{cite book|title=自然科學概論|url=http://books.google.com/books?id=yhajIkVcnuoC&pg=PP171|year=1996|publisher=五南圖書出版股份有限公司|isbn=978-957-11-1185-8|pages=171–|access-date=2014-05-05|archive-date=2014-07-06|archive-url=https://web.archive.org/web/20140706234828/http://books.google.com/books?id=yhajIkVcnuoC&pg=PP171|dead-url=no}}</ref>

在阿伏伽德罗之前，化學家[[約翰·道爾頓]]在1803年及1811年提出的[[定比定律]]及[[倍比定律]]，也支持分子學說<ref>{{cite web |url=http://content.edu.tw/senior/chemistry/tp_sc/content1/number1/2/2-1.htm |language=zh |title=亞佛加厥定律 |publisher=教育部數位教學資源入口網 |accessdate=2014-05-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140717081549/http://content.edu.tw/senior/chemistry/tp_sc/content1/number1/2/2-1.htm |archive-date=2014-07-17 |dead-url=yes }}</ref>，因此許多化學家接受分子學說。可是許多[[邏輯實證主義]]者及像[[恩斯特·馬赫]]、[[路德維希·波茲曼]]、[[詹姆斯·馬克士威]]、[[約西亞·吉布斯]]等物理學家不接受分子學說，認為分子只是一種方便處理的數學結構，不是實際存在的物質。一直到[[讓·佩蘭]]在[[布朗運動]]相關的研究中，才證實了分子學說。

大部分的分子无法藉由電子顯微鏡看见，最小的分子是H₂，其[[鍵長]]為0.74 [[埃格斯特朗|Å]]<ref>{{cite book|url=http://books.google.com/?id=q77rPHP5fWMC&pg=PA199|page=199|title=Chemical structure and bonding|author=Roger L. DeKock, Harry B. Gray|publisher=University Science Books|year=1989|isbn=0-935702-61-X}}</ref>。有機合成中常用到的分子大小約從數Å至數十Å。曾經製造過直徑1000 Å（100&nbsp;nm）{{link-en|介孔氧化硅|Mesoporous silica}}，是最大的分子<ref>{{Cite web |url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac303274w |title=存档副本 |accessdate=2014-05-05 |archive-date=2020-07-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20200724205500/https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac303274w |dead-url=no }}</ref>。

一般分子雖无法由電子顯微鏡看见，但利用在特定環境下可以用[[原子力显微镜]]觀察，甚至可以觀察到一些[[小分子]]及一些原子的外觀，而像[[DNA]]是[[高分子化合物]]，就可以用[[電子顯微鏡]]看見。

==== 半徑 ====

等效分子半徑是指分子在溶液中所佔的大小<ref>{{cite journal

|url=https://archive.org/details/sim_kidney-international_1975-10_8_4/page/212

|url=https://archive.org/details/sim_biophysical-journal_1975-09_15_9/page/887

分子的一个特徵就是組成化合物的元素比例總是整數。例如，純水中氫和氧的比例總是2:1，[[乙醇]]中碳、氫、和氧總是以2:6:1的比例組合。利用各種元素的比例和[[化學符號]]就可以組成分子的[[實驗式]]。但是單憑實驗式是無法決定分子的類別——如[[乙烯]]的實驗式就與[[丙烯]]一樣（同是CH₂），儘管這兩個分子的原子數或質量都不同。

要反映分子中各種原子的真實數量，就要利用[[化學式]]。例如乙烯和丙烯的化學式分別為<chem>C2H4</chem>和<chem>C3H6</chem>。

[[分子量]]可以用化學式計算而得，是分子质量与[[碳12|¹²C]]质量的1/12之比值。若是[[網狀固體]]，則會用[[化學計量]]方式計算．稱為{{link-en|式量|formula unit}}。

=== 分子幾何 ===

由[[量子力學]]定律的演算，分子有固定的平衡几何狀態——鍵的長度和之間的角度。純物質都是由相同几何結構的分子組合而成的。分子的化學式和結構是決定它的特質，尤其是它的化學活性的兩要素。

[[同分異構體]]是指二個化合物組成分子的種類及個數相同，但其結構不同。同分異構體有相同化學式，但因結構的不同，有不同的特質，例如[[乙醇]]和[[甲醚]]有不同的結構，但其化學式都是<chem>C2H6O</chem>，屬於[[结构异构]]。

[[立體異構體]]是一種特別的異構體，它們可以有很相似的物理及化學性質，而由於原子在空間中的排列不同，具有相當不同的生物化學性質<ref>[[IUPAC]][[金色书]]对“立体异构”的定义[http://goldbook.iupac.org/S05983.html] （英文）。</ref>，例如[[維生素C]]有兩種立体异构体，但人體只能吸收其中一種的維生素C。

=== 分子的電氣及光學特性 ===

分子在[[電場]]中的特性和分子的電子分佈特性有關，包括其[[偶極矩]]及[[極化性]]。

分子的電偶極矩是指分子中正電荷和負電荷分佈的不對稱。分子若有對稱中心，例如<chem>H2</chem>，則偶極矩為零，反之亦然。

分子的極化性是指分子因外在[[電場]]作用而改變其電子雲形狀的程度，結果會使得分子會因電場而產生電偶極矩。<!--The value of the polarizability and dipole moment found experimentally by measuring the dielectric constant.-->

分子的光學特性和其在光產生的交流電場下的行為有關，也可以用分子的極化性來得知。極化性和光的折射、散射、光學活性及其他分子光學研究的特性有關。

大部份化合物的分子及巨分子都是[[抗磁性]]。分子的[[磁化率]]<math>\chi_m\,\!</math> 是表示外磁場中被磁化的程度，抗磁性性物的磁化率略小於零。

有永久[[磁矩]]的分子具有[[順磁性]]，包括外層電子數是奇數個的分子（例如<chem>NO</chem>及[[自由基]]）以及分子中有部份原子的內層電子未填滿（如[[過渡金屬]]）。順磁性物質的磁化率會隨溫度而變化，因為電子的熱運動會降低磁場中的磁矩。

== 分子間作用力 ==

[[分子間作用力]]是指電中性的分子在空間中的作用力，會隨著分子的極性而不同，其作用力相当複雜，一直到了[[量子力學]]出現後才對分子間作用力有進一步的了解。

兩個極性分子（總偶極矩不為零的分子）之間會有分子間作用力<ref name=Intermolecular>{{cite web |url=http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=48196 |language=zh |title=分子間作用力(Intermolecular force) |publisher=國科會高瞻自然科學教學資源平台 |date=2013-10-01 |accessdate=2014-05-09 |archive-date=2020-12-19 |archive-url=https://web.archive.org/web/20201219025752/http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=48196 |dead-url=no }}</ref>，可能會使分子相吸或是排斥，若分子的偶極矩沒有互相抵消，其作用力會變強。

若是一個極性分子和一個非極性分子，會有產生誘導性的分子間作用力<ref name=Intermolecular/>。極性分子會極化非極性分子，若極性分子的負電荷較靠近非極性分子，會誘導非極性分子，使其正電荷較靠近極性分子。

[[分散力]]是指兩個非極性分子之間的分子間作用力<ref name=Intermolecular/>。一般來說，非極性分子的總偶極矩為零，不過在特定時間，因為電子在分子中的分佈情形，會產生瞬時偶極。瞬時偶極可能會極化其他的非極性分子，或是兩個有瞬時偶極的分子會互相影響。

== 相關理論 ==

[[分子物理學]]及[[理論化學]]的研究主要是基於[[量子力學]]，對於[[化學鍵]]的了解相當重要。最簡單的分子是[[氢分子离子]]<chem>{H2}^{+}</chem>，而化學鍵中最簡單的是單電子鍵。<chem>{H2}^{+}</chem>由二個帶正電的[[質子]]及一個帶負電的[[電子]]組成，因為沒有電子和電子之間的斥力，[[薛丁格方程]]會相關簡單，易於求解。隨著快速數位電腦的發展，也可以計算一些更複雜分子的近似解，這也是[[計算化學]]的一個主要領域。

科學家們試著嚴格的定義哪些原子的組合穩定到可以視為是分子的程度，而UPAC的建議是「需對應[[势能面]]的一個低坑，而且要深到可以限制至少一個振動態。」<ref name="iupac"/>。此定義和原子之間交互關係的本質無關，和交互關係的強度有關。事實上，這也包括一些弱鍵結，以往不會視為是分子的一些原子團，例如[[氦二聚體]]<chem>He2</chem>，有一個振動[[束缚态]]<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 }}</ref>，其鍵結非常鬆散，可能只能在非常低溫時才可以觀測到。

原子的組合是否夠穩定到可視為分子，在本質上是操作性的定義。在哲學上，分子不是一個基本实体（相反的，[[基本粒子]]就是基本实体），分子的概念可以視為是化學家在陳述世界上原子之間作用力強度的一種敘述方式。

=== 分子光譜學 ===

分子[[光譜學]]是處理分子和帶有已知[[能量]]（依照[[普朗克關係式]]，也可以表示為[[頻率]]）的探測信號（或粒子）作用時，產生的[[頻譜]]。可以由分子[[吸收光譜]]或[[發射光譜]]來分析其能量交換，進而分析分子的量子化能階<ref name="iupac2">{{GoldBookRef|title=spectroscopy|doi=10.1351/goldbook.S05848|year=1997,2006}}</ref>。當像[[中子]]或[[電子]]等粒子或是高能的[[X光]]和一般規則排列的分子（如[[晶體]]）作用時，光譜學的研究一般不會指其[[繞射]]的現象。

分子的電磁及光學特性都和分子在不同狀態下的[[波函數]]及能量有關。[[分子光譜]]可以得到分子的狀態，以及在各狀態之間躍遷的機率。

分子光譜依原子的質量，位置以及原子間的交互作用有關。分子光譜和分子的[[轉動慣量]]有關，利用分子光譜，可以準確的得到原子間作用力的數值。分子光譜中線段和頻帶的數量和其分子的對稱性有關。

[[分子電子躍遷]]和分子中電子雲的結構及化學鍵的狀態有關。若分子光譜中有吸收許多在長波長可見光範圍的能量，分子會有顏色，像很多有機染料都屬於這一類。

== 化學、物理學及生物學中的分子 ==

分子是化學的基礎概念，大部份有有關分子結構及功能的資訊都要透過化學研究才能得到。分子結構決定了化學反應的特性。

分子的結構及性質都是被分子物理學中研究的物理現象所影響。在物理上，分子的概念可以說明氣體、液體及固體的特性。例如分子[[擴散]]的能力、[[黏度]]、[[導熱係數]]等。第一個直接證明分子存在的實驗是在1906年由法國科學家[[让·佩兰]]，在研究[[布朗運動]]時發現的。

所有的生物都是因為分子間化學性的、非化學性的作用巧妙的平衡而存活的。對於分子結構及特性的研究是在生物學或是科學上都很重要在。

生物學、化學及分子物理學的進展產生了[[分子生物學]]，依照生物中基本化合物的結構及特性，研究生物的基本特性。

== 相關條目 ==

* [[雙原子分子]]

* [[極性]]

* [[非共價鍵]]

* [[星際分子列表]]

* {{link-en|分子結構建模軟體列表|List of software for molecular mechanics modeling}}

* {{link-en|分子哈密頓算符|Molecular Hamiltonian}}

* [[多原子離子]]

* {{link-en|分子設計軟體|Molecular design software}}

* [[超分子化學]]

{{Reflist|30em}}

== 外部連結 ==

* http://www.chm.bris.ac.uk/motm/motm.htm