分子論の歴史
20世紀以降

20世紀初頭、アメリカの化学者ギルバート・ニュートン・ルイスは、ハーバード大学で学部生を教える際に、原子の周りの電子を表すために、講義の中で点を使うようになった。この絵が学生たちに好評だったことが、ルイスをこの方向に向かわせた。ルイスは、特定の数の電子を持つ元素が特別に安定しているように見えることに着目した。この現象は、1904年にドイツの化学者リヒャルト・アベッグが指摘したもので、ルイスはこれを「アベッグの原子価の法則」と呼んだ（現在は一般にアベッグの規則（英語版）として知られている）。ルイスには、原子核の周りに8個の電子の核（core）が形成されると、その層が満たされ、新しい層が始まるように思えた。また、ルイスは、8個の電子を持つさまざまなイオンも、特別な安定性を持っているように見えることにも注目した。こうした考えを基に、彼は「8個の電子で満たされた層を持つイオンや原子は、特別に安定である（Ions or atoms with a filled layer of eight electrons have a special stability）」という「八隅説」あるいは「オクテット則」を提唱した。
さらにルイスは、立方体に8つの角があることに着目して、原子は立方体の角のように電子が利用できる8つの側面を持っていることに気づいた。その後、1902年には、立方体原子（英語版）がその側面で結合して立方体構造の分子を形成するという概念を考案した。
つまり、下図の構造 C のように、2つの原子が辺を共有することで、電子対結合が形成される。この場合、2つの電子が共有される。同様に、帯電したイオン結合は、構造 A のように辺を共有することなく、ある立方体から別の立方体へ電子が移動することによって形成される。ルイスはまた、1つの角だけを共有する中間状態 B も仮定した。
それゆえに、2つの立方体原子の間で面を共有することによって二重結合が形成される。その結果、4個の電子が共有される。
1913年、カリフォルニア大学バークレー校の化学科長を務めていたルイスは、バークレー校に1年間滞在していたイギリスの大学院生、アルフレッド・ラック・パーソン（英語版）による論文の予備的な下書きを読んだ。この論文でパーソンは、電子は単なる電荷ではなく、小さな磁石であること（彼は「マグネトン（英語版）」と呼んだ）、さらに化学結合は2つの原子の間で2つの電子が共有されることによって生じることを示唆した。これは、ルイスによれば、2つの電子が2つの完全な立方体の間で共有辺を形成することによって結合が起こることを意味していた。
こうした考えを基に、ルイスは1916年の有名な論文『原子と分子（The Atom and the Molecule）』の中で、原子や分子を表すための「ルイス構造式」を導入し、点は電子を、線は共有結合を表した。この論文で彼は、2つの原子が1個から6個の電子を共有することで、単電子結合、単結合、二重結合、三重結合を形成する電子対結合の概念を打ち立てた。
ルイス自身の言葉を借りれば、
1つの電子は2つの異なる原子の殻の一部を形成することができ、どちらか一方にのみ属するとは言えない。
さらにルイスは、原子は立方体を完成させるのに必要な数の電子を得たり失うことでイオンを形成する傾向があることを提唱した。このように、ルイス構造式では、分子の構造を構成する各原子を化学記号で表す。結合している原子と原子の間には線が引かれ、場合によっては線の代わりに点の組が使われることもある。また、孤立電子対を形成する過剰電子も点の組で表され、それらが存在する原子の横に配置される。
新しい結合モデルに関する彼の考えを要約して、ルイスは次のように述べている。
2つの原子は、1つの原子から別の原子への電子を移動させるだけでなく、1つまたは複数の電子対を共有することによっても、八隅説またはオクテット則に従うことができる...。こうして結合した2つの電子が、2つの原子中心間にあり、2つの原子の殻の中で共同して保持されるとき、これを化学結合と考えた。こうして、有機化学者の信条の一つであるフックアンドアイの物理的実体が具体的に見えてくるのである。
翌1917年、ライナス・ポーリングという無名のアメリカ人化学技術者が、オレゴン農業大学（現・オレゴン州立大学）で、原子間の結合の記述法として当時主流だったドルトンのフックアンドアイ結合を学んでいた。このモデルでは、各原子には、他の原子と結合するためのフックとアイがそれぞれ一定数備わっている。フックとアイが噛み合うと化学結合が形成される。しかし、ポーリングはこの古風な方法に納得せず、新たな分野である量子物理学に新しい方法を求めた。
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[訳語疑問点]、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なものであった。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のもとを訪ねた。
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を基に、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）』（参照: 原稿）を発表した。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展開した。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。
これらの優れた理論が評価され、ポーリングは1954年にノーベル化学賞を受賞した。ポーリングは1963年にノーベル平和賞を受賞したことでノーベル賞を2度受賞している。
1926年、フランスの物理学者ジャン・ペランは、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。
1937年、化学者K.L.Wolfは、酢酸二量体における水素結合を説明するために超分子（Übermoleküle,  (en:英語版) ）という概念を導入した。これはやがて、非共有結合を研究する超分子化学 (en:英語版) の分野へとつながってゆく。
1951年、物理学者アーウィン・ウィルヘルム・ミュラー（英語版）は、電界イオン顕微鏡を発明し、原子を見ることに初めて成功した。下図は、金属点の先端に結合した原子配列である。
1999年、ウィーン大学の研究者は、C60分子における波動と粒子の二重性についての実験結果を報告した。Zeilingerらが発表したデータは、C60分子のド・ブロイ波干渉と矛盾しないものであった。この実験は、波動と粒子の二重性の適用範囲を巨視的方向に約1桁拡張するものとして注目された。
2009年、IBMの研究者は、初めて実際の分子の写真を撮ることに成功し、原子間力顕微鏡を使用して、ペンタセン分子のすべての原子と結合を画像化した。
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
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
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