分子

分子是物質中能夠獨立存在的相對穩定並保持該物質物理化學特性的最小單元。分子由原子構成，原子通過一定的作用力，以一定的次序和排列方式結合成分子。以水分子為例，將水不斷分離下去，直至不破壞水的特性，這時出現的最小單元是由兩個氫原子和一個氧原子構成的一個水分子（H₂O）。一個水分子可用電解法或其他方法再分為兩個氫原子和一個氧原子，但這時它的特性已和水完全不同了。有的分子只由一個原子構成，稱單原子分子，如氦和氬等分子屬此類，這種單原子分子既是原子又是分子。由兩個原子構成的分子稱雙原子分子，例如氧分子(O₂)和一氧化碳分子(CO)：一個氧分子由兩個氧原子構成，為同核雙原子分子；一個一氧化碳分子由一個氧原子和一個碳原子構成，為異核雙原子分子。由兩個以上的原子組成的分子統稱多原子分子。分子中的原子數可為幾個、十幾個、幾十個乃至成千上萬個。例如一個二氧化碳分子(CO₂)由一個碳原子和兩個氧原子構成。一個苯分子包含六個碳原子和六個氫原子(C₆H₆)，有些分子包含幾百個原子，如分子式為C₂₅₇H₃₈₃N₆₅O₇₇S₆的賴脯胰島素。

分子結構或稱分子立體結構、分子、分子幾何，建立在光譜學

數據之上，用以描述分子中原子的三維排列方式。分子結構在很大程度上影響了化學物質的反應性、極性、相態形狀、顏色、磁性和生物活性。

分子結構最好在接近絕對零度的温度下測定，因為隨着温度升高，分子轉動也增加。量子力學和半實驗的分子模擬計算可以得出分子形狀，固態分子的結構也可通過X射線晶體學測定。體積較大的分子通常以多個穩定的構象存在，勢能面中這些構象之間的能壘較高。

分子結構涉及原子在空間中的位置，與鍵結的化學鍵種類有關，包括鍵長、鍵角以及相鄰三個鍵之間的二面角。

原子在分子中的成鍵情形與空間排列：分子結構對物質的物理與化學性質有決定性的關係。最簡單的分子是氫分子，1克氫氣包含10²³個以上的氫分子。一個水分子中2個氫原子都連接到一箇中心氧原子上，所成鍵角是105.3°。分子中原子的空間關係不是固定的，除了分子本身在氣體和液體中的平動外，分子結構中的各部分也都處於連續的運動中。因此分子結構與温度有關。分子所處的狀態（固態、液態、氣態、溶解在溶液中或吸附在表面上）不同，分子的精確尺寸也不同。

因尚無真正適用的分子結構理論，複雜分子的細緻結構不能預言，只能從實驗測得。量子力學認為，原子中的軌道電子具有波動性，用數學方法處理電子駐波（原子軌道）就能確定原子間或原子團間鍵的形成方式。原子中的電子軌道在空間重疊愈多，形成的鍵愈穩定。量子力學方法是建立在實驗數據和近似的數學運算（由高速電子計算機進行運算）相結合的基礎上的，對簡單的體系才是精確的，例如對水分子形狀的預言。另一種理論是把分子看成一個靜電平衡體系：電子和原子核的引力傾向於最大，電子間的斥力傾向於最小，各原子核和相鄰原子中電子的引力也是很重要的。為了使負電中心的斥力減至最小，體系儘可能對稱的排列，所以當體系有2個電子對時，它們呈線型排列（180°）；有3個電子對時呈三角平面排列，鍵角120°。

分子的鍵有三種極限類型，即離子鍵、共價鍵和金屬鍵。定位於2個原子之間的鍵稱為定域鍵。由多個原子的共有電子形成的多中心鍵稱為離域鍵。此外還有過渡類型的鍵：鍵電子偏向一方的共價鍵稱為極性鍵，由一方提供成鍵電子的鍵稱為配位鍵。通過這些類型的鍵把原子按一定的空間排列結合成分子，形成分子的構型和構象。例如碳是共享電子對鍵（共價鍵）的基本參加者，碳和氫二種元素的原子可形成烴類化合物，正四面體構的CH₄是其中最簡單的烴，還可形成環狀化合物，例如環己烷；硅和氧是礦物質的基本元素，雲母和石英都含有硅氧單元。金屬原子被夾在烴環平面中間構成夾心化合物。蛋白質的基本成分是一端接鹼性基，一端接酸性基的二官能分子α-氨基酸。化學組成和分子量相同但分子結構不同的物質互稱為異構體。當2種異構體其他性質相同，只是旋光方向相反，這一類異構體稱作旋光異構體。可用X射線等衍射法、各種光譜、波譜、能譜和質譜法等測定或推測分子的結構。

1.分子之間有間隔。例如：取50毫升酒精和50毫升水，混合之後，體積小於100毫升。

2.一切構成物質的分子都在永不停息地做無規則的運動。温度越高，分子擴散越快，固、液、氣中，氣體擴散最快。由於分子的運動跟温度有關，所以這種運動叫做分子的熱運動。例如：天氣熱時衣服容易曬乾

3.一般分子直徑的數量級為10⁻¹⁰m。

4.分子很小，但有一定的體積和質量。

5.同種物質的分子性質相同，不同種物質的分子性質不同。

最早提出比較確切的分子概念的是意大利化學家阿伏伽德羅，他於1811年發表了分子學説，認為：“原子是參加化學反應的最小質點，分子則是在遊離狀態下單質或化合物能夠獨立存在的最小質點。分子是由原子組成（構成）的，單質分子由相同元素的原子組成（構成），化合物分子由不同元素的原子組成（構成）。在化學變化中，不同物質的分子中各種原子進行重新結合。”

自從阿伏伽德羅提出分子概念以後，在很長的一段時間裏，化學家都把分子看成比原子稍大一點的微粒。1920年，德國化學家施陶丁格開始對這種小分子一統天下的觀點產生懷疑，他的根據是：利用滲透壓法測得的橡膠的分子量可以高達10萬左右。他在論文中提出了大分子（高分子）的概念，指出天然橡膠不是一種小分子的締合體，而是具有共價鍵結構的長鏈大分子。高分子還具有它本身的特點，例如高分子不像小分子那樣有確定不變的分子量，它所採用的是平均分子量。

隨着分子概念的發展，化學家對於無機分子的瞭解也逐步深入，例如氯化鈉是以鈉離子和氯離子以離子鍵互相連接起來的一種無限結構，很難確切地指出它的分子中含有多少個鈉離子和氯離子，也無法確定其分子量，這種結構還包括金剛石、石墨、石棉、雲母等分子。

在研究短壽命分子的方法出現以後，例如用微微秒光譜學研究方法，測得甲基（CH₃·）的壽命為10⁻¹³秒，不但壽命短，而且很活潑，其原因是甲基的價鍵是不飽和的，具有單數電子的結構。這種粒子還有CH·、CN·、HO，它們統稱為自由基，僅具有一定程度的穩定性，很容易發生化學反應，由此可見自由基也具有分子的特徵，所以把自由基歸入分子的範疇。還有一種分子在基態時不穩定，但在激發態時卻是穩定的，這種分子被稱為準分子。從分子水平上研究各種自然現象的科學稱為分子科學，例如動物學、遺傳學、植物學、生理學等正在掌握各種形式的不同種類分子的性能和結構，由分子的性能和結構設計出具有給定性能的分子，這就是所謂分子設計。在化學變化中，分子會改變，而原子不會改變。

高分子又稱高分子聚合物，高分子是由分子量很大的長鏈分子所組成，高分子的分子量從幾千到幾十萬甚至幾百萬。 而每個分子鏈都是由共價鍵聯合的成百上千的一種或多種小分子構造而成。高分子的分類有多種，按來源可分為 天然高分子、天然高分子衍生物、合成高分子三大類；根據用途則可分為合成樹脂和塑料、合成橡膠、合成纖維等；按熱行為可分為熱塑性和熱固性聚合物；按主鏈結構可分為碳鏈、雜鏈、和元素有機三類；另外根據工業產量和價格還可分為通用高分子、中間高分子、工程塑料以及特種高分子等等。

高分子組成：一個大分子往往由許多簡單的結構單元通過共價鍵重複鍵接而成。合成聚合物的原料稱為單體，通過聚合反應，單體才轉變成大分子的結構單元。由一種單體聚合而成的聚合物稱為均聚物，由兩種以上單體共聚而成的聚合物則稱為共聚物。

特點： 高分子與低分子化合物相比較，分子量非常高。由於這一突出特點，聚合物顯示出了特有的性能，表現為“三高一低一消失”。既是：高分子量、高彈性、高黏度、結晶度低、無氣態。因此這些特點也賦予了高分子材料（如複合材料、橡膠等）高強度、高韌性、高彈性等特點。

高分子類型：高分子化合物中的原子連接成很長的線狀分子時，叫線型高分子。這種高分子在加熱時可以熔融，在適當的溶劑 中可以溶解。

高分子化合物中的原子連接成線狀並帶有較長分支時，叫支鏈型高分子。這種高分子也可在加熱時熔融，也可在適當的溶劑中溶解。

如果高分子化合物中的原子連接成網狀時，則叫網狀高分子，這種高分子由於一般都不是平面 結構而是立體結構，所以也叫體型高分子。體型高分子加熱時不能熔融，只能變軟和彈性增大；不能在任何溶劑中溶解，只能在某些適當的溶劑中溶脹。

分子的存在形式可以為氣態、液態或固態。分子除具有平移運動外，還存在着分子的轉動和分子內原子的各種類型的振動。固態分子內部的振動和轉動的幅度，比氣體和液體中分子的平動和轉動幅度小得多，分子的這種內部運動，並不會破壞分子的固有特性。通常所説的分子結構，是這些原子處在平衡位置時的結構。分子的內部運動，決定分子光譜的性質，因而利用分子光譜，可以研究分子內部運動情況。 分子的構型和構象相同成分的分子中，若原子的排列次序和排列方式不同，可形成不同的分子。例如C₂H₆O分子可以排列為乙醇分子，也可以排列為二甲醚分子，它們的結構式所示分子的結構式反映分子內部原子的排列次序。組成分子的成分相同，而排列次序不同，形成兩種或兩種以上的分子，這種現象稱為同分異構現象，這些成分相同結構不同的分子稱為同分異構體。

分子的結構式一般只反映分子中原子的連接次序，而決定分子形狀的鍵長和鍵角的數值，需要通過實驗測定。反映分子中原子在空間的排列次序與分佈稱為分子的構型。分子中原子間的化學鍵長與鍵角則稱為立體構型參數。

對有些分子，當它的構型確定時，分子的形狀大小也就確定了，例如水分子、甲烷分子、苯分子等。有些分子在一定的構型條件下，分子的形狀還會隨原子的相對位置而改變。例如乙烷(C₂H₆)分子在相同的連接次序及雙原子分子純轉動光譜相同的鍵長鍵角數據下，還可以有交叉式(圖3之a)和重疊式(圖3之b)兩種不同形狀，這種情況稱為分子的構象。不同構象的分子，能量有一定差別，它們的對稱性亦不同，對於乙烷分子，常温下交叉式的構象比較穩定。

在一定狀態下，分子的形狀和大小、結構和性質都是一定的。研究分子的力學性質、熱學性質、電學性質以及分子光譜等實驗數據，可以獲得分子的平均運動速度、碰撞頻率、分子直徑（按球體直徑計算）、電離電位（即中性分子最低能態和離子的最低能態的能量差）、離解能（即分子最低能態分解為原子基態的能量差）、核間距離（即鍵長）、分子振動的力常數、偶極矩等物理量，還可以給出描述分子振動和轉動狀態的物理量數據。這些數據統稱為分子常數，是描述分子結構和物理性質的重要數據。具體數值，見雙原子分子純轉動光譜。

分子質量原子通過化學鍵結合成分子，分子有確定的質量。分子的質量與¹²C原子質量的1/12之比叫做分子量。通常的碳元素由¹²C、¹³C、¹⁴C組成，因此碳的原子量為12.011。氫的原子量為1.088，氧的原子量為15.999，而乙醇(C₂H₆O)的分子量為2×12.011+6×1.088+1×15.999=46.069。0.012千克的¹²C含¹²C原子6.0221367×10²³個，稱它為1摩爾（或1克原子）；同理，46.069克的乙醇含有同樣數目的乙醇分子，稱為1摩爾(或1克分子)的乙醇。

通常把分子量大於10000的分子稱為高分子，當然這個界限並不是絕對的。分子量大到一定的程度，分子會出現一些特有的性質。高分子在工業上和生物化學上十分重要，例如塑料、橡膠、油漆、木材、蛋白質、核酸、多糖等等都是高分子材料。

分子的分子量可通過實驗測定。測定分子量的方法很多，其中以質譜法最優越，現代的高分辨質譜儀測量分子量的精度可高於質量數的萬分之一。其他如氣體狀態法，可測定氣體分子的分子量，X射線衍射法可測量晶體的分子量，溶液滲透壓法主要應用於測定高分子的分子量等。

處於基態的分子在光、熱、電等形式能量的作用下，可能改變結構，形成受激態（或稱激發態）分子。受激態分子存在的時間往往很短，有的壽命只有微秒數量級或更短，故又稱為準分子。利用閃光光解和分子光譜等實驗，已對若干準分子的壽命、結構以及其他分子常數等進行過研究。 從射電天文學和分子光譜學的研究得知，星際之間存在許多分子，如OH、CN、SiO、CS、HCN、SO、CH、N₂H、NS、HCO等，這些分子在地球上是極不穩定的，但卻能穩定地存在於星際空間，這是因為它們處於分子極為稀薄的天空之中，在不受其他分子干擾的狀態下，可以長期存在。

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C₂H₄和C₃H₆。但化學式相同並不代表兩個分子是一樣的物質，因為分子中原子的排列和組合，亦即分子的結構，也是決定分子性質的要素。同樣的原子但排列不同的分子叫同分異構體。同分異構體有同一化學公式但因不同結構的關係有不同的特質。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，而同時有十分不同的生物化學性質。

由量子力學的定律的演算，分子有固定的平衡幾何狀態——鍵的長度和之間的角度。純物質都是由相同幾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。

北京時間2014年8月29日，據國外媒體報道，美國耶魯大學的科學家成功打造迄今為止温度最低的分子。實驗中，他們將選定分子的温度降到只比絕對零度高出2.5‰K。這一研究成果能夠應用於從量子化學到粒子物理學最基本理論測試等一系列領域，幫助科學家進行各種新研究。研究論文刊登在《自然》雜誌上。

研究中，耶魯大學的科學家利用激光降低一氟化鍶的温度，這一過程被稱之為“磁光捕獲”。通過直接冷卻將分子温度降至接近絕對零度(零下)是物理學領域的一個里程碑式成就。耶魯大學物理學教授和首席研究員戴夫-德米勒博士表示：“我們可以開始研究在接近絕對零度時發生的化學反應。我們有機會瞭解基本的化學機制。”

過去，磁光捕獲就是原子物理學家非常推崇的一項技術，但只在單個原子尺度。這項實驗取得的巨大成就是創造了有記錄以來分子——兩個或者更多原子羣——温度的最低紀錄。這項技術利用激光冷卻粒子同時將它們固定在適當位置。德米勒博士解釋説：“想象一下一個淺碗，裏面裝着一點糖蜜。如果將一些球滾到碗裏，它們會緩慢下沉，最後堆積在碗底。具體到我們的實驗，分子就是這些小球，裝糖蜜的碗通過激光束和磁場打造。” ^[2] 

一直以來，分子的複雜振動和旋轉還是一個巨大挑戰，無法進行磁光捕獲。耶魯大學的研究小組採取了一種獨特的方式進行捕獲，靈感來自於上世紀90年代的一篇晦澀的研究論文。這篇論文闡述了在一個通常無法滿足冷卻和捕獲要求的條件下產生的磁光捕獲型結果。

德米勒和他的同事在一個地下實驗室研製他們的實驗儀器。他們的儀器採用大量線路、電腦、電氣元件、鏡子和低温冷藏裝置。冷卻過程中，他們使用十幾道激光，每一道激光都進行精確控制。德米勒表示：“想象一下將一幅展示高科技的圖像放入詞典，我們做的就是類似的事情。一切雖然很有秩序，但還是有一點亂。”

耶魯大學的研究小組之所以選擇一氟化鍶是因為它們的結構比較簡單——一個電子環繞整個分子移動。德米勒指出：“我們一度認為最理想的選擇是雙原子分子。”這一研究成果打開了一扇門，能夠應用於一系列領域——從精確測量和量子模擬到超冷化學再到粒子物理學標準模型的測試——讓科學家進行進一步實驗。” ^[2]