分子：修订间差异

{{about|构成物質的一种粒子|分数的組成部份|分数}}

| caption2 = 以[[掃描隧道顯微鏡|STM]]拍攝的[[并五苯]]分子（分子长度约 14 [[埃格斯特朗|Å]]），对照下图的[[球棍模型]]可分辨出其分子中呈直线排列的五个[[苯環]]

'''分子'''（molecule）是一种构成物质的[[粒子]]，呈电中性、由單个或多个[[原子]]組成，原子之间因[[化学鍵]]而鍵结<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[[化学性質]]；由分子組成的物質叫'''分子化合物'''。

一个分子是由多个[[原子]]在[[共價鍵]]中通过共用[[电子]]连接一起而形成。它可以由相同的化学[[元素]]构成，如[[氧气]]分子<chem>O2</chem>；也可以由不同的元素构成，如[[水]]分子<chem>H2O</chem>。若原子之间由非共價鍵的化学鍵（如[[离子鍵]]）所结合，一般不会視为是單一分子<ref>[http://www.britannica.com/EBchecked/topic/388236/molecule Molecule] , Encyclopaedia Britannica on-line</ref>。

在不同的领域中，分子的定义也会有一点差异：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[[气体动力论]]中，分子是指任何构成气体的粒子，此定义下，單原子的[[稀有气体|惰性气体]]也可視为是分子<ref>{{cite book

|publisher=New Age Publishers|isbn=81-224-1512-1}}</ref>。而在[[量子物理]]、[[有机化学]]及[[生物化学]]中，多原子的离子（如[[硫酸根]]）也可以視为是一个分子。

[[File:Atisane3.png|缩略图|居中|510px|同一分子的不同画法。左、中图为立体模型，右图为平面表示。（左）黑、白色球体分別代表碳、氫原子，球体间的柱体表示[[化学鍵]]。模型被一团云包围，代表著分子的表面，红、蓝色分別代表正、负电。（中）与左图相似。浅蓝、白色球体分別代表碳、氫原子，柱体表示化学鍵。（右）這种利用[[化学符号]]和直线来表示分子结构的画法称为[[结构式]]。]]

在[[气体]]中，[[氫气|氫分子]]（<chem>H2</chem>）、[[氮气|氮分子]]（<chem>N2</chem>）、[[氧气|氧分子]]（<chem>O2</chem>）、[[氟气|氟分子]]（<chem>F2</chem>）和[[氯气|氯分子]]（<chem>Cl2</chem>）的原子数是2；[[固体]]元素中，[[磷|黃磷]]（<chem>P4</chem>）原子数是4，[[硫]]（<chem>S8</chem>）的是8。所以，[[氬]]（<chem>Ar</chem>）是單原子的分子，[[氧气]]（<chem>O2</chem>）是双原子的，[[臭氧]]（<chem>O3</chem>）則是三原子的。

許多常见的有机物質都是由分子所組成的，海洋和大气中大部份也是由分子組成的。但地球上主要的固体物質，包括[[地函]]、[[地殼]]及[[地核]]中雖也是由[[化学鍵]]鍵结，但不是由分子所构成。在[[离子晶体]]（像[[食鹽]]）及共價晶体有反覆出现的[[晶体结构]]，但也无法找到分子。固態金属是用[[金属鍵]]鍵结，也有其[[晶体结构]]，但也不是由分子組成。[[玻璃]]中的原子之间依化学鍵鍵结，但是既沒有分子的存在，其中也沒有类似晶体反覆出现的晶体结构。

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=自然科学概论|url=http://books.google.com/books?id=yhajIkVcnuoC&pg=PP171|year=1996|publisher=五南图书出版股份有限公司|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，化学家[[约翰·道尔顿]]在1803年及1811年提出的[[定比定律]]及[[倍比定律]]，也支持分子学說<ref>{{cite web |url=http://content.edu.tw/senior/chemistry/tp_sc/content1/number1/2/2-1.htm |language=zh |title=亚佛加厥定律 |publisher=教育部数位教学资源入口网 |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>，因此許多化学家接受分子学說。可是許多[[邏輯实證主义]]者及像[[恩斯特·马赫]]、[[路德维希·波茲曼]]、[[詹姆斯·马克士威]]、[[约西亚·吉布斯]]等物理学家不接受分子学說，认为分子只是一种方便处理的数学结构，不是实际存在的物質。一直到[[讓·佩兰]]在[[布朗运动]]相关的研究中，才證实了分子学說。

大部分的分子无法藉由电子顯微鏡看见，最小的分子是H₂，其[[鍵长]]为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>。有机合成中常用到的分子大小约從数Å至数十Å。曾經制造过直徑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>。

一般分子雖无法由电子顯微鏡看见，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[[电子顯微鏡]]看见。

==== 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总是整数。例如，纯水中氫和氧的比例总是2:1，[[乙醇]]中碳、氫、和氧总是以2:6:1的比例組合。利用各种元素的比例和[[化学符号]]就可以組成分子的[[实驗式]]。但是單憑实驗式是无法決定分子的类別——如[[乙烯]]的实驗式就与[[丙烯]]一样（同是CH₂），儘管這两个分子的原子数或質量都不同。

要反映分子中各种原子的真实数量，就要利用[[化学式]]。例如乙烯和丙烯的化学式分別为<chem>C2H4</chem>和<chem>C3H6</chem>。

[[分子量]]可以用化学式计算而得，是分子质量与[[碳12|¹²C]]质量的1/12之比值。若是[[网狀固体]]，則会用[[化学计量]]方式计算．称为{{link-en|式量|formula unit}}。

由[[量子力学]]定律的演算，分子有固定的平衡几何狀態——鍵的长度和之间的角度。纯物質都是由相同几何结构的分子組合而成的。分子的化学式和结构是決定它的特質，尤其是它的化学活性的两要素。

[[同分异构体]]是指二个化合物組成分子的种类及个数相同，但其结构不同。同分异构体有相同化学式，但因结构的不同，有不同的特質，例如[[乙醇]]和[[甲醚]]有不同的结构，但其化学式都是<chem>C2H6O</chem>，属于[[结构异构]]。

[[立体异构体]]是一种特別的异构体，它们可以有很相似的物理及化学性質，而由于原子在空间中的排列不同，具有相当不同的生物化学性質<ref>[[IUPAC]][[金色书]]对“立体异构”的定义[http://goldbook.iupac.org/S05983.html] （英文）。</ref>，例如[[维生素C]]有两种立体异构体，但人体只能吸收其中一种的维生素C。

分子的电偶极矩是指分子中正电荷和负电荷分布的不对称。分子若有对称中心，例如<chem>H2</chem>，則偶极矩为零，反之亦然。

分子的极化性是指分子因外在[[电场]]作用而改變其电子云形狀的程度，结果会使得分子会因电场而产生电偶极矩。<!--The value of the polarizability and dipole moment found experimentally by measuring the dielectric constant.-->

有永久[[磁矩]]的分子具有[[顺磁性]]，包括外層电子数是奇数个的分子（例如<chem>NO</chem>及[[自由基]]）以及分子中有部份原子的内層电子未填滿（如[[过渡金属]]）。顺磁性物質的磁化率会隨溫度而變化，因为电子的热运动会降低磁场中的磁矩。

[[分子间作用力]]是指电中性的分子在空间中的作用力，会隨著分子的极性而不同，其作用力相当复杂，一直到了[[量子力学]]出现后才对分子间作用力有进一步的了解。

两个极性分子（总偶极矩不为零的分子）之间会有分子间作用力<ref name=Intermolecular>{{cite web |url=http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=48196 |language=zh |title=分子间作用力(Intermolecular force) |publisher=国科会高瞻自然科学教学资源平台 |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>，可能会使分子相吸或是排斥，若分子的偶极矩沒有互相抵消，其作用力会變强。

[[分散力]]是指两个非极性分子之间的分子间作用力<ref name=Intermolecular/>。一般来說，非极性分子的总偶极矩为零，不过在特定時间，因为电子在分子中的分布情形，会产生瞬時偶极。瞬時偶极可能会极化其他的非极性分子，或是两个有瞬時偶极的分子会互相影響。

[[分子物理学]]及[[理论化学]]的研究主要是基于[[量子力学]]，对于[[化学鍵]]的了解相当重要。最简單的分子是[[氢分子离子]]<chem>{H2}^{+}</chem>，而化学鍵中最简單的是單电子鍵。<chem>{H2}^{+}</chem>由二个带正电的[[質子]]及一个带负电的[[电子]]組成，因为沒有电子和电子之间的斥力，[[薛丁格方程]]会相关简單，易于求解。隨著快速数位电脑的发展，也可以计算一些更复杂分子的近似解，這也是[[计算化学]]的一个主要领域。

科学家们试著严格的定义哪些原子的組合穩定到可以視为是分子的程度，而UPAC的建议是「需对应[[势能面]]的一个低坑，而且要深到可以限制至少一个振动態。」<ref name="iupac"/>。此定义和原子之间交互关係的本質无关，和交互关係的强度有关。事实上，這也包括一些弱鍵结，以往不会視为是分子的一些原子团，例如[[氦二聚体]]<chem>He2</chem>，有一个振动[[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>，其鍵结非常鬆散，可能只能在非常低溫時才可以觀测到。

原子的組合是否夠穩定到可視为分子，在本質上是操作性的定义。在哲学上，分子不是一个基本实体（相反的，[[基本粒子]]就是基本实体），分子的概念可以視为是化学家在陳述世界上原子之间作用力强度的一种敘述方式。

分子[[光谱学]]是处理分子和带有已知[[能量]]（依照[[普朗克关係式]]，也可以表示为[[頻率]]）的探测信号（或粒子）作用時，产生的[[頻谱]]。可以由分子[[吸收光谱]]或[[发射光谱]]来分析其能量交換，进而分析分子的量子化能阶<ref name="iupac2">{{GoldBookRef|title=spectroscopy|doi=10.1351/goldbook.S05848|year=1997,2006}}</ref>。当像[[中子]]或[[电子]]等粒子或是高能的[[X光]]和一般规則排列的分子（如[[晶体]]）作用時，光谱学的研究一般不会指其[[繞射]]的现象。

分子的电磁及光学特性都和分子在不同狀態下的[[波函数]]及能量有关。[[分子光谱]]可以得到分子的狀態，以及在各狀態之间躍迁的机率。

分子光谱依原子的質量，位置以及原子间的交互作用有关。分子光谱和分子的[[轉动慣量]]有关，利用分子光谱，可以準确的得到原子间作用力的数值。分子光谱中线段和頻带的数量和其分子的对称性有关。

[[分子电子躍迁]]和分子中电子云的结构及化学鍵的狀態有关。若分子光谱中有吸收許多在长波长可见光范围的能量，分子会有顏色，像很多有机染料都属于這一类。

分子是化学的基礎概念，大部份有有关分子结构及功能的资訊都要透过化学研究才能得到。分子结构決定了化学反应的特性。

分子的结构及性質都是被分子物理学中研究的物理现象所影響。在物理上，分子的概念可以說明气体、液体及固体的特性。例如分子[[扩散]]的能力、[[黏度]]、[[导热係数]]等。第一个直接證明分子存在的实驗是在1906年由法国科学家[[让·佩兰]]，在研究[[布朗运动]]時发现的。

* [[非共價鍵]]

* {{link-en|分子结构建模軟体列表|List of software for molecular mechanics modeling}}

* {{link-en|分子设计軟体|Molecular design software}}

{{Reflist|30em}}

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