


分子は、化学結合として知られる引力によって結合した2つ以上の原子の集合である。文脈に応じて、この用語にはこの基準を満たすイオンが含まれる場合と含まれない場合がある。 [4] [5] [6] [7] [8]量子物理学、有機化学、生化学では、イオンとの区別はなくなり、多原子イオンを指すときに分子がよく使用される。
分子は同核分子、つまり1つの化学元素の原子(例えば酸素分子(O₂ )の2つの原子)で構成される場合と、異核分子(例えば水(2つの水素原子と1つの酸素原子、H₂O ) )で構成される化合物の場合があります。気体の運動論では、「分子」という用語は、その組成に関係なく、あらゆる気体粒子を指すために使用されることがよくあります。これは、希ガスが個々の原子であるため、分子が2つ以上の原子を含むという要件を緩和します。[9]水素結合やイオン結合などの非共有結合性相互作用によって結合した原子や複合体は、通常、単一分子とは見なされません。[10]
分子に似た概念は古代から議論されてきましたが、分子の性質とその結合に関する現代的な研究は17世紀に始まりました。ロバート・ボイル、アメデオ・アボガドロ、ジャン・ペラン、ライナス・ポーリングなどの科学者によって時を経て洗練され、分子の研究は今日では分子物理学または分子化学として知られています。
メリアム・ウェブスターとオンライン語源辞典によると、「分子」という言葉はラテン語の「モル」(質量の小さな単位)に由来しています。この言葉はフランス語のmolécule(1678年)に由来し、これは新ラテン語 のmolecula (質量、障壁)から来ています。18世紀後半までラテン語の形だけで使用されていたこの言葉は、デカルトの哲学書で使用された後、普及しました。[11] [12]
分子の構造に関する知識が増えるにつれて、分子の定義は進化してきました。以前の定義はそれほど正確ではなく、分子は純粋な化学物質の最小の粒子であり、その組成と化学的性質を保持していると定義されていました。[13]この定義は、岩石、塩、金属など、日常的に経験される多くの物質が化学的に結合した原子またはイオンの大きな結晶ネットワークで構成されており、個別の分子でできていないため、しばしば破綻します。
分子の現代の概念は、レウキッポスやデモクリトスのような科学以前のギリシャの哲学者にまで遡ることができます。彼らは、宇宙全体が原子と空隙で構成されていると主張しました。紀元前450年頃、エンペドクレスは基本元素(火(
)、土(
)、空気(
)、水(
))と、元素が相互作用することを可能にする引力と斥力の「力」
第五の要素である不滅の精髄エーテルは、天体の基本的な構成要素であると考えられていました。レウキッポスとエンペドクレスの見解は、エーテルとともにアリストテレスに受け入れられ、中世およびルネサンス期のヨーロッパに受け継がれました
しかし、より具体的に言えば、結合した原子の集合体または単位、すなわち「分子」という概念は、ロバート・ボイルが1661年に著作『懐疑的な化学者』の中で提唱した仮説にその起源を遡ることができます。この仮説は、物質は粒子の集合体で構成され、化学変化は集合体の再構成によって生じるというものです。ボイルは、物質の基本要素は「微粒子」と呼ばれる様々な種類と大きさの粒子で構成されており、それらは自ら集合体を形成する能力を持っていると主張しました。1789年、ウィリアム・ヒギンズは「究極的」粒子の組み合わせと彼が呼ぶものに関する見解を発表し、これは原子価結合の概念を予見するものでした。例えば、ヒギンズによれば、酸素という究極的粒子と窒素という究極的粒子の間の力が6であれば、力の強さはそれに応じて分割され、他の究極的粒子の組み合わせについても同様です。
アメデオ・アボガドロは「分子」という言葉を作り出した。[14] 1811年の論文「物体の基本分子の相対質量の決定に関する論文」では、パーティントンの『化学小史』によれば、彼は基本的に次のように述べている。[15]
気体の最小粒子は必ずしも単純な原子ではなく、一定数のこれらの原子が引力によって結合して単一の分子を形成している。
これらの概念と連携して、1833年にフランスの化学者マルク・アントワーヌ・オーギュスト・ゴーダンは、直線状の水分子のような半正確な分子構造とH 2 O のような正しい分子式の両方を明確に示す「体積図」を用いて、原子量に関するアボガドロの仮説[16]を明確に説明した。

1917年、ライナス・ポーリングという名の無名のアメリカ人の化学工学士の学部生が、当時原子間の結合の主流であったドルトンのフック・アンド・アイ結合法を学んでいました。しかし、ポーリングはこの方法に満足せず、新しい方法を求めて新興の量子物理学の分野に目を向けました。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でノーベル物理学賞を受賞しました。彼は、すべて液相系を含む3つの異なる方法を用いてアボガドロ定数を計算することで、このことを証明しました。まず、ガンボージ石鹸のようなエマルジョンを使用し、次にブラウン運動に関する実験を行い、最後にアインシュタインの液相における粒子回転理論を確認しました。[17]
1927年、物理学者のフリッツ・ロンドンとヴァルター・ハイトラーは、新しい量子力学を、水素分子の飽和した非動的な引力と斥力、すなわち交換力の扱いに応用しました。彼らの共同論文[18]におけるこの問題に対する原子価結合の扱いは、化学を量子力学の領域に導いたという点で画期的なものでした。 彼らの研究は、博士号を取得したばかりで、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とロンドンを訪れていたポーリングに影響を与えました
その後、1931年、ハイトラーとロンドンの研究、そしてルイスの有名な論文に見られる理論を基に、ポーリングは画期的な論文「化学結合の性質」[19]を発表しました。この論文では、量子力学を用いて、結合間の角度や結合周りの回転など、分子の性質と構造を計算しました。これらの概念に基づき、ポーリングはCH4などの分子の結合を説明する混成理論を開発しました。この理論では、 4つのsp³混成軌道が水素の1s軌道と重なり合い、4つのシグマ(σ)結合が生成されます。4つの結合は同じ長さと強度を持ち、以下に示すような分子構造を形成します。

分子の科学は、化学に焦点を当てるか物理学に焦点を当てるかによって、分子化学または分子物理学と呼ばれます。分子化学は、化学結合の形成と切断をもたらす分子間の相互作用を支配する法則を扱い、分子物理学は分子の構造と特性を支配する法則を扱います。しかし、実際には、この区別は曖昧です。分子科学では、分子は2つ以上の原子からなる安定した系(結合状態)で構成されます。多原子イオンは、電荷を帯びた分子と考えると便利です。不安定分子という用語は、非常に反応性の高い種、つまりラジカル、分子イオン、リュードベリ分子、遷移状態、ファンデルワールス錯体、またはボーズ・アインシュタイン凝縮のような衝突原子系などの、電子と原子核の短寿命の集合体(共鳴)に使用されます。
物質の構成要素としての分子は一般的です。また、海洋や大気の大部分も分子で構成されています。ほとんどの有機物は分子です。生命の物質は分子です。例えば、タンパク質、タンパク質を構成するアミノ酸、核酸(DNAとRNA)、糖、炭水化物、脂肪、ビタミンなどです。栄養ミネラルは一般的にイオン化合物であるため、分子ではありません。例えば、硫酸鉄などです。
しかし、地球上の身近な固体物質の大部分は、分子ではなく、結晶またはイオン化合物で部分的または完全に構成されています。これには、地球の物質を構成するすべての鉱物、砂、粘土、小石、岩、岩盤、溶融内部、地球の核が含まれます。これらはすべて多くの化学結合を含んでいますが、識別可能な分子で構成されている わけではありません
塩や共有結合結晶には典型的な分子を定義することはできませんが、これらはしばしば、平面(例えばグラフェン)または三次元(例えばダイヤモンド、石英、塩化ナトリウム)に広がる繰り返し単位格子で構成されています。繰り返し単位格子構造というテーマは、金属結合を伴う凝縮相であるほとんどの金属にも当てはまります。したがって、固体金属は分子でできていません。ガラスはガラス質の無秩序な状態で存在する固体であり、原子は化学結合によって結合されており、定義可能な分子は存在せず、塩、共有結合結晶、金属を特徴付ける繰り返し単位格子構造の規則性もありません。
分子は一般的に共有結合によって結合されています。いくつかの非金属元素は、自由原子としてではなく、化合物または同核分子としてのみ環境中に存在します。例えば、水素です
金属結晶は金属結合によって結びついた単一の巨大分子と見なせると考える人もいます[20]が、金属は分子とは非常に異なる挙動を示すと指摘する人もいます[21] 。

共有結合は、原子間で電子対を共有する化学結合です。これらの電子対は共有対または結合対と呼ばれ、原子が電子を共有しているときに原子間の引力と斥力の安定したバランスは共有結合と呼ばれます[22]。

イオン結合は、反対の電荷を持つイオン間の静電引力を伴う化学結合の一種であり、イオン性化合物で起こる主要な相互作用です。イオンとは、1つ以上の電子を失った原子(陽イオンと呼ばれる)と、1つ以上の電子を得た原子(陰イオンと呼ばれる)です。[23]この電子の移動は、共有原子価とは対照的に電気原子価と呼ばれます。最も単純なケースでは、陽イオンは金属原子で、陰イオンは非金属原子ですが、これらのイオンは、例えばNH 4 +やSO 4 2-のような分子イオンのように、より複雑な性質を持つこともあります。常温常圧では、イオン結合はほとんどの場合、個別に識別可能な分子を持たない固体(または場合によっては液体)を生成しますが、そのような物質の蒸発/昇華は、電子が十分に移動している個別の分子を生成するため、結合は共有結合ではなくイオン結合と見なされます。
ほとんどの分子は肉眼では見えないほど小さいですが、DNAなどの生体高分子を含む多くのポリマーの分子は、巨視的サイズに達することがあります。有機合成の構成要素として一般的に使用される分子の大きさは、数オングストローム(Å)から数十Å、つまり約10億分の1メートルです。単一の分子は通常、光で観察することはできません(前述のように)が、小さな分子、さらには個々の原子の輪郭さえも、状況によっては原子間力顕微鏡を使用することで追跡できます。最も大きな分子の中には、高分子または超分子があります。
最小の分子は二原子水素(H2 )で、結合長は0.74Åです。[24]
有効分子半径は、分子が溶液中で示すサイズです。[25] [26]さまざまな物質の選択透過性の表 に例があります。
分子の化学式は、化学元素記号、数字、そして場合によっては括弧、ダッシュ、角括弧、プラス記号(+)とマイナス記号(-)などの他の記号を1行にまとめたものです。これらの記号は1行に限定され、下付き文字や上付き文字を含む場合もあります。
化合物の化学式は非常に単純なタイプの化学式です。[27]それは、化合物を構成する化学元素の最も単純な整数 比です。 [28]例えば、水は常に水素原子と酸素原子の比率が2:1で構成され、エタノール(エチルアルコール)は常に炭素、水素、酸素の比率が2:6:1で構成されています。しかし、これは分子の種類を一意に決定するものではありません。例えば、ジメチルエーテルはエタノールと同じ比率です。同じ原子が異なる配置で存在する分子は異性体と呼ばれます。また、例えば炭水化物は同じ比率(炭素:水素:酸素=1:2:1)(したがって同じ化学式)を持ちますが、分子内の原子の総数は異なります。
分子式は、分子を構成する原子の正確な数を反映しているため、異なる分子を特徴付けます。しかし、異なる異性体は、異なる分子でありながら同じ原子組成を持つ場合があります
実験式は分子式と同じ場合が多いですが、必ずしも同じではありません。例えば、アセチレン分子の分子式はC2H2ですが、最も単純な元素の整数比はCHです。
分子量は化学式から計算でき、通常はダルトンで表されます。ダルトンは、中性炭素12(12C同位体)原子の質量の1/12に相当します。ネットワーク固体 の場合、化学量論計算では「式単位」という用語が使用されます。

複雑な3次元構造を持つ分子、特に4つの異なる置換基に結合した原子を含む分子の場合、単純な分子式や半構造化学式でさえ、分子を完全に特定するのに十分ではない場合があります。この場合、構造式と呼ばれる図式的な式が必要になる場合があります。構造式は1次元の化学名で表される場合がありますが、そのような化学命名法では、化学式の一部ではない多くの単語や用語が必要になります。

分子は固定された平衡構造(結合長と結合角)を持ち、振動運動と回転運動によって絶えず振動しています。純物質は、同じ平均的幾何学的構造を持つ分子で構成されています。分子の化学式と構造は、その特性、特に反応性を決定する2つの重要な要素です。異性体は化学式を共有しますが、通常、構造が異なるため、非常に異なる特性を持ちます。異性体の一種である立体異性体は、非常に類似した物理化学的特性を持ちながら、同時に異なる生化学的活性を持つ場合があります。

分子分光法は、既知のエネルギー(またはプランクの関係に従って周波数)のプローブ信号と相互作用する分子の応答(スペクトル)を扱います。分子は量子化されたエネルギー準位を持っており、吸光または発光を通じて分子のエネルギー交換を検出することで分析できます。[31] 分光法は、一般的に、中性子、電子、高エネルギーX線などの粒子が分子の規則的な配列(結晶内など)と相互作用する 回折研究を指すものではありません
マイクロ波分光法は一般的に分子の回転の変化を測定し、宇宙空間における分子の識別に使用できます。赤外分光法は、分子の振動(伸縮、曲げ、ねじれなどの運動を含む)を測定します。分子内の結合や官能基の種類を識別するために一般的に使用されます。電子の配置の変化は、紫外線、可視光線、または近赤外線の吸収線または輝線を生み出し、色を生み出します。核共鳴分光法は、分子内の特定の核の環境を測定し、分子内の異なる位置にある原子の数を特徴付けるために使用できます。
分子物理学と理論化学による分子の研究は、主に量子力学に基づいており、化学結合の理解に不可欠です。最も単純な分子は水素分子イオンH2 +であり、すべての化学結合の中で最も単純なのは一電子結合です。H2 +は2つの正に帯電した陽子と1つの負に帯電した電子で構成されており、電子間反発がないため、この系のシュレーディンガー方程式をより簡単に解くことができます。高速デジタルコンピュータの開発により、より複雑な分子の近似解が可能になり、 計算化学の主要な側面の1つとなっています
原子の配列が分子とみなされるほど十分に安定しているかどうかを厳密に定義しようとする際に、IUPACは「少なくとも1つの振動状態を閉じ込めるのに十分な深さの、ポテンシャルエネルギー面上の窪みに対応しなければならない」と示唆しています。 [4]この定義は、原子間の相互作用の性質には依存せず、相互作用の強さのみに依存します。実際、ヘリウム 二量体(He₂ )のように、従来は分子とはみなされない弱く結合した種も含まれます。He₂は1つの振動結合状態を持ち[32]、非常に緩く結合しているため、非常に低温でしか観測されない可能性があります
原子の配列が分子とみなされるほど十分に安定しているかどうかは、本質的に操作的定義です。したがって、哲学的には、分子は基本的な実体ではありません(例えば、素粒子とは対照的に)。むしろ、分子の概念は、私たちが観察する世界における原子スケールの相互作用の強さについて化学者が有用な記述を行う方法です。