分子

以STM拍摄的并五苯分子（分子长度约14 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环分子（molecule）是指能以独立粒子形式存在，并能表现该物质在分子层级化学性质的最小电中性粒子。分子通常由两个或以上的原子，透过共价键以共用电子的方式结合而成。

在理论研究与部分文献中，亦有学者在特定模型下，将由单一原子构成、且能以独立粒子形式存在的惰性气体原子（如 He、Ne、Ar）视为分子，并称之为“单原子分子”。此一用法主要出现于统计物理或气体理论等特定语境中，在基础化学教学与主流化学文献中则较少采用。分子化合物（molecular compound）是相对于离子化合物的用语，特指由两种或以上不同元素的原子以共价键结合，并以分子作为基本结构单元所组成的化合物

## 分子的组成与分类

分子可以由相同的化学元素构成，例如氧气分子 O₂；也可以由不同的化学元素构成，例如水分子 H₂O。若原子之间主要是透过非共价型的化学键（如离子键）所结合，则一般不将其视为单一分子，而是以离子晶体或离子集合体来描述。

依分子中所含原子数量，可将分子分为双原子分子、三原子分子及多原子分子。在气体状态下，氢（$H2$）、氮（$N2$）、氧（$O2$）、氟（$F2$）与氯（$Cl2$）等元素，皆以双原子分子的形式存在。某些非金属元素在固态时亦以多原子分子存在，例如白磷由 （$P4$）分子构成，而固态硫则主要以（$S8$）分子存在。

依此分类，氧气（$O2$）属于双原子分子，臭氧（$O3$）属于三原子分子；至于惰性气体元素（如氦、氖、氩），在自然状态下以单一原子形式存在。在部分理论物理或气体模型的语境中，这类粒子有时亦被称为“单原子分子”，但此用法在基础化学中并不常采用。

## 不同学科中的用语差异

在不同学科中，“分子”一词的使用范围略有差异。在热力学与统计物理中，构成系统的基本单元不特别区分其是否为分子，原子、分子与离子皆可视为等价的粒子（particles），其行为由能量状态与统计规律所描述；在气体动力论中，分子泛指任何构成气体的微观粒子，因此在此语境下，单原子的惰性气体亦可视为分子。而在量子物理、有机化学与生物化学中，某些由多个原子组成、且能稳定存在的离子（如硫酸根离子 SO₄²⁻），常被作为分子尺度的结构单元进行讨论，但在严格的化学定义上，仍属于离子而非中性分子。

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## 非分子物质

许多常见的有机物质皆由分子所组成，地球的大气与海洋亦主要由分子构成。然而，地球上的多数固体物质，包括地函、地壳与地核，虽然其组成原子之间同样由化学键结合，却并非由分子所构成。例如，在离子晶体（如氯化钠）与共价网状晶体中，原子或离子以规则且反复延伸的晶体结构排列，无法辨识出独立存在的分子；金属固体则由金属键所形成的晶体结构组成，同样不具分子结构。此外，玻璃中的原子虽以化学键相互连结，但既不形成分子，也不具有长程有序、反复排列的晶体结构，因此属于非晶态固体。

## 历史

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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。”

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，也支持分子学说，因此许多化学家接受分子学说。可是许多逻辑实证主义者及像恩斯特·马赫、路德维希·波兹曼、詹姆斯·马克士威、约西亚·吉布斯等物理学家不接受分子学说，认为分子只是一种方便处理的数学结构，不是实际存在的物质。一直到让·佩兰在布朗运动相关的研究中，才证实了分子学说。

## 特性

### 分子大小

大部分的分子无法借由电子显微镜看见，最小的分子是H2，其键长为0.74 Å。有机合成中常用到的分子大小约从数Å至数十Å。曾经制造过直径1000 Å（100 nm）介孔氧化硅，是最大的分子。

一般分子虽无法由电子显微镜看见，但利用在特定环境下可以用原子力显微镜观察，甚至可以观察到一些小分子及一些原子的外观，而像DNA是高分子化合物，就可以用电子显微镜看见。

大型的分子包括有高分子或超分子等。

#### 半径

等效分子半径是指分子在溶液中所占的大小。

### 分子式

用元素符号和数字表示分子组成的式子称为分子式。

分子的一个特征就是组成化合物的元素比例总是整数。例如，纯水中氢和氧的比例总是2:1，乙醇中碳、氢、和氧总是以2:6:1的比例组合。利用各种元素的比例和化学符号就可以组成分子的实验式。但是单凭实验式是无法决定分子的类别——如乙烯的实验式就与丙烯一样（同是CH2），尽管这两粒分子的原子数或质量都不同。

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别为$C2H4$和$C3H6$。

分子量可以用化学式计算而得，是分子质量与12C质量的1/12之比值。若是网状固体，则会用化学计量方式计算．其式量（formula mass）会以一个化学式单位的质量来进行类似计算。

### 分子几何

由量子力学定律的演算，分子有固定的平衡几何状态——键的长度和之间的角度。纯物质都是由相同几何结构的分子组合而成的。分子的化学式和结构是决定它的特质，尤其是它的化学活性的两要素。

同分异构体是指二种化合物组成分子的种类及粒数相同，但其结构不同。同分异构体有相同化学式，但不同结构，不同特质，例如乙醇和甲醚结构不同，但化学式都是$C2H6O$，属于结构异构。

立体异构体是一种特别的异构体，它们可以有很相似的物理及化学性质，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质，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。

### 分子的电气及光学特性

分子在电场中的特性和分子的电子分布特性有关，包括其偶极矩及极化性。

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$H2$，则偶极矩为零，反之亦然。

分子的极化性是指分子因外在电场作用而改变其电子云形状的程度，结果会使得分子会因电场而产生电偶极矩。

分子的光学特性和其在光产生的交流电场下的行为有关，也可以用分子的极化性来得知。极化性和光的折射、散射、光学活性及其他分子光学研究的特性有关。

### 分子的磁特性

大部分化合物的分子及巨分子都是抗磁性。分子的磁化率$\chi_m\,\!$ 是表示外磁场中被磁化的程度，抗磁性性物的磁化率略小于零。

有永久磁矩的分子具有顺磁性，包括外层有奇数电子的分子（例如$NO$及自由基）以及分子中有部分原子的内层电子未填满（如过渡金属）。顺磁性物质的磁化率会随温度而变化，因为电子的热运动会降低磁场中的磁矩。

## 分子间作用力

分子间作用力是指电中性的分子在空间中的作用力，会随着分子的极性而不同，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。

两粒极性分子（总偶极矩不为零的分子）之间会有分子间作用力，可能会使分子相吸或是排斥，若分子的偶极矩没有互相抵消，其作用力会变强。

若是一粒极性分子和一粒非极性分子，会有产生诱导性的分子间作用力。极性分子会极化非极性分子，若极性分子的负电荷较靠近非极性分子，会诱导非极性分子，使其正电荷较靠近极性分子。

分散力是指两粒非极性分子之间的分子间作用力。一般来说，非极性分子的总偶极矩为零，不过在特定时间，因为电子在分子中的分布情形，会产生瞬时偶极。瞬时偶极可能会极化其他的非极性分子，或是两粒有瞬时偶极的分子会互相影响。

## 相关理论

分子物理学及理论化学的研究主要是基于量子力学，对于化学键的了解相当重要。最简单的分子是氢分子离子${H2}^{+}$，而化学键中最简单的是单电子键。${H2}^{+}$由二粒带正电的质子及一粒带负电的电子组成，因为没有电子和电子之间的斥力，薛定谔方程会相关简单，易于求解。随着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，这也是计算化学的一片主要领域。

科学家试着严格的定义哪些原子的组合稳定到可以视为是分子的程度，而UPAC的建议是“需对应势能面的一片低坑，而且要深到可以限制至少一个振动态。”。此定义和原子之间交互关系的本质无关，和交互关系的强度有关。事实上，这也包括一些弱键结，以往不会视为是分子的一些原子团，例如氦二聚体$He2$，有一个振动束缚态，其键结非常松散，可能只能在非常低温时才可以观测到。

原子的组合是否够稳定到可视为分子，在本质上是操作性的定义。在哲学上，分子不是基本实体（相反，基本粒子就是基本实体），分子的概念可以视为是化学家在陈述世界上原子之间作用力强度的一种叙述方式。

### 分子光谱学

分子光谱学是处理分子和带有已知能量（依照普朗克关系式，也可以表示为频率）的探测信号（或粒子）作用时，产生的频谱。可以由分子吸收光谱或发射光谱来分析其能量交换，进而分析分子的量子化能阶。当像中子或电子等粒子或是高能的X光和一般规则排列的分子（如晶体）作用时，光谱学的研究一般不会指其绕射的现象。

分子的电磁及光学特性都和分子在不同状态下的波函数及能量有关。分子光谱可以得到分子的状态，以及在各状态之间跃迁的几率。

分子光谱依原子的质量，位置以及原子间的交互作用有关。分子光谱和分子的转动惯量有关，利用分子光谱，可以准确的得到原子间作用力的数值。分子光谱中线段和频带的数量和其分子的对称性有关。

分子电子跃迁和分子中电子云的结构及化学键的状态有关。若分子光谱中有吸收许多在长波长可见光范围的能量，分子会有颜色，像很多有机染料都属于这一类。

## 化学、物理学及生物学中的分子

分子是化学的基础概念，大部分有有关分子结构及功能的资讯都要透过化学研究才能得到。分子结构决定了化学反应的特性。

分子的结构及性质都是被分子物理学中研究的物理现象所影响。在物理上，分子的概念可以说明气体、液体及固体的特性。例如分子扩散的能力、黏度、导热系数等。第一次直接证明分子存在的实验是在1906年由法国科学家让·佩兰，在研究布朗运动时发现的。

所有生物都是因为分子间的化学、非化学作用巧妙平衡而存活。对于分子结构及特性的研究是在生物学或是科学上都很重要。

生物学、化学及分子物理学的进展产生了分子生物学，依照生物中基本化合物的结构及特性，研究生物的基本特性。