分子是由組成的原子按照一定的鍵合順序和空間排列而結(jié)合在一起的整體，這種鍵合順序和空間排列關(guān)系稱為分子結(jié)構(gòu)。由于分子內(nèi)原子間的相互作用，分子的物理和化學(xué)性質(zhì)不僅取決于組成原子的種類和數(shù)目，更取決于分子的結(jié)構(gòu)

物理化學(xué)術(shù)語

分子是物質(zhì)中能夠獨(dú)立存在的相對穩(wěn)定并保持該物質(zhì)物理化學(xué)特性的最小單元。分子由原子構(gòu)成，原子通過一定的作用力，以一定的次序和排列方式結(jié)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(xiàn)的最小單元是由兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)成，為異核雙原子分子。由兩個以上的原子組成的分子統(tǒng)稱多原子分子。分子中的原子數(shù)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(gòu)成。一個苯分子包含六個碳原子和六個氫原子 - C6H6，一個分子包含幾百個原子，其分子式為C257H383N65O77S6。

分子結(jié)構(gòu)

分子結(jié)構(gòu)或稱分子立體結(jié)豬胰島素構(gòu)、分子、分子幾何，建立在光譜學(xué)

數(shù)據(jù)之上，用以描述分子中原子的三維排列方式。分子結(jié)構(gòu)在很大程度上影響了化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)性、極性、相態(tài)形狀、顏色、磁性和生物活性。

分子結(jié)構(gòu)最好在接近絕對零度的溫度下測定，因?yàn)殡S著溫度升高，分子轉(zhuǎn)動也增加。量子力學(xué)和半實(shí)驗(yàn)的分子模擬計算可以得出分子形狀，固態(tài)分子的結(jié)構(gòu)也可通過X射線晶體學(xué)測定。體積較大的分子通常以多個穩(wěn)定的構(gòu)象存在，勢能面中這些構(gòu)象之間的能壘較高。

分子結(jié)構(gòu)涉及原子在空間中的位置，與鍵結(jié)的化學(xué)鍵種類有關(guān)，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(jié)構(gòu)對物質(zhì)的物理與化學(xué)性質(zhì)有決定性的關(guān)系。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個中心氧原子上，所成鍵角是104.5°。分子中原子的空

間關(guān)系不是固定的，除了分子本身在氣體和液體中的平動外，分子結(jié)構(gòu)中的各部分也都處于連續(xù)的運(yùn)動中。因此分子結(jié)構(gòu)與溫度有關(guān)。分子所處的狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、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(jié)構(gòu)理論，復(fù)雜分子的細(xì)致結(jié)構(gòu)不能預(yù)言，只能從實(shí)驗(yàn)測得。量子力學(xué)認(rèn)為，原子中的軌道電子具有波動性，用數(shù)學(xué)方法處理電子駐波（原子軌道）就能確定原子間或原子團(tuán)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(wěn)定。量子力學(xué)方法是建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和近似的數(shù)學(xué)運(yùn)算（由高速電子計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算）相結(jié)合的基礎(chǔ)上的，對簡單的體系才是精確的，例如對水分子形狀的預(yù)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于最大，電子間的斥力傾向于最小，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(fù)電中心的斥力減至最小，體系盡可能對稱的排列，所以當(dāng)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

分子的鍵有三種極限類型，即離子鍵、共價鍵和金屬鍵。定位于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(jié)合成分子，形成分子的構(gòu)型和構(gòu)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(gòu)的CH4是其中最簡單的烴，還可形成環(huán)狀化合物，例如環(huán)己烷；硅和氧是礦物質(zhì)的基本元素，云母和石英都含有硅氧單元。金屬原子被夾在烴環(huán)平面中間構(gòu)成夾心化合物。蛋白質(zhì)的基本成分是一端接堿性基，一端接酸性基的二官能分子α-氨基酸?；瘜W(xué)組成和分子量相同但分子結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)互稱為異構(gòu)體。當(dāng)2種異構(gòu)體其他性質(zhì)相同，只是旋光方向相反，這一類異構(gòu)體稱作旋光異構(gòu)體?？捎肵射線等衍射法、各種光譜、波譜、能譜和質(zhì)譜法等測定或推測分子的結(jié)構(gòu)。

分子的特性

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

2.一切構(gòu)成物質(zhì)的分子都在永不停息地做無規(guī)則的運(yùn)動。溫度越高，分子擴(kuò)散越快，固、液、氣中，氣體擴(kuò)散最快。由于分子的運(yùn)動跟溫度有關(guān)，所以這種運(yùn)動叫做分子的熱運(yùn)動。例如：天氣熱時衣服容易曬干

3.一般分子直徑的數(shù)量級為10^-10m。

4.分子很小，但有一定的體積和質(zhì)量。

5.同種物質(zhì)的分子性質(zhì)相同，不同種物質(zhì)的分子性質(zhì)不同。

概念發(fā)展

最早提出比較確切的分子概念的化學(xué)家是意大利阿伏伽德羅，他于1811年發(fā)表了分子學(xué)說，認(rèn)為：“原子是參加化學(xué)反應(yīng)的最小質(zhì)點(diǎn)，分子則是在游離狀態(tài)下單質(zhì)或化合物能夠獨(dú)立存在的最小質(zhì)點(diǎn)。分子是由原子組成（構(gòu)成）的，單質(zhì)分子由相同元素的原子組成（構(gòu)成），化合物分子由不同元素的原子組成（構(gòu)成）。在化學(xué)變化中，不同物質(zhì)的分子中各種原子進(jìn)行重新結(jié)合。”

自從阿伏伽德羅提出分子概念以后，在很長的一段時間里，化學(xué)家都把分子看成比原子稍大一點(diǎn)的微粒。1920年，德國化學(xué)家施陶丁格開始對這種小分子一統(tǒng)天下的觀點(diǎn)產(chǎn)生懷疑，他的根據(jù)是：利用滲透壓法測得的橡膠的分子量可以高達(dá)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(jié)構(gòu)的長鏈大分子。高分子還具有它本身的特點(diǎn)，例如高分子不像小分子那樣有確定不變的分子量，它所采用的是平均分子量。

隨著分子概念的發(fā)展，化學(xué)家對于無機(jī)分子的了解也逐步深入，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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)還包括金剛石、石墨、石棉、云母等分子。

在研究短壽命分子的方法出現(xiàn)以后，例如用微微秒光譜學(xué)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(shù)電子的結(jié)構(gòu)。這種粒子還有CH·、CN·、HO，它們統(tǒng)稱為自由基，僅具有一定程度的穩(wěn)定性，很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由此可見自由基也具有分子的特征，所以把自由基歸入分子的范疇。還有一種分子在基態(tài)時不穩(wěn)定，但在激發(fā)態(tài)時卻是穩(wěn)定的，這種分子被稱為準(zhǔn)分子。從分子水平上研究各種自然現(xiàn)象的科學(xué)稱為分子科學(xué)，例如動物學(xué)、遺傳學(xué)、植物學(xué)、生理學(xué)等正在掌握各種形式的不同種類分子的性能和結(jié)構(gòu)，由分子的性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計出具有給定性能的分子，這就是所謂分子設(shè)計。在化學(xué)變化中，分子會改變，而原子不會改變。

高分子介紹

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(lián)合的成百上千的一種或多種小分子構(gòu)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(jù)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(jié)構(gòu)可分為碳鏈、雜鏈、和元素有機(jī)三類；另外根據(jù)工業(yè)產(chǎn)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(jié)構(gòu)單元通過共價鍵重復(fù)鍵接而成。合成聚合物的原料稱為單體，通過聚合反應(yīng)，單體才轉(zhuǎn)變成大分子的結(jié)構(gòu)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(diǎn)：高分子與低分子化合物相比較，分子量非常高。由于這一突出特點(diǎn)，聚合物顯示出了特有的性能，表現(xiàn)為“三高一低一消失”。既是：高分子量、高彈性、高黏度、結(jié)晶度低、無氣態(tài)。因此這些特點(diǎn)也賦予了高分子材料（如復(fù)合材料、橡膠等）高強(qiáng)度、高韌性、高彈性等特點(diǎn)。

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(dāng)?shù)娜軇┲锌梢匀芙狻?/p>

高分子化合物中的原子連接成線狀并帶有較長分支時，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(dāng)?shù)娜軇┲腥芙狻?/p>

如果高分子化合物中的原子連接成網(wǎng)狀時，則叫網(wǎng)狀高分子，這種高分子由于一般都不是平面結(jié)構(gòu)而是立體結(jié)構(gòu)，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(dāng)?shù)娜軇┲腥苊洝?/p>

分子運(yùn)動

分子的存在形式可以為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。分子除具有平移運(yùn)動外，還存在著分子的轉(zhuǎn)動和分子內(nèi)原子的各種類型的振動。固態(tài)分子內(nèi)部的振動和轉(zhuǎn)動的幅度，比氣體和液體中分子的平動和轉(zhuǎn)動幅度小得多，分子的這種內(nèi)部運(yùn)動，并不會破壞分子的固有特性。通常所說的分子結(jié)構(gòu)，是這些原子處在平衡位置時的結(jié)構(gòu)。分子的內(nèi)部運(yùn)動，決定分子光譜的性質(zhì)，因而利用分子光譜，可以研究分子內(nèi)部運(yùn)動情況。分子的構(gòu)型和構(gòu)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(jié)構(gòu)式所示分子的結(jié)構(gòu)式反映分子內(nèi)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(xiàn)象稱為同分異構(gòu)現(xiàn)象，這些成分相同結(jié)構(gòu)不同的分子稱為同分異構(gòu)體。

分子的結(jié)構(gòu)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(shù)值，需要通過實(shí)驗(yàn)測定。反映分子中原子在空間的排列次序與分布稱為分子的構(gòu)型。分子中原子間的化學(xué)鍵長與鍵角則稱為立體構(gòu)型參數(shù)。

對有些分子，當(dāng)它的構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)動光譜相同的鍵長鍵角數(shù)據(jù)下，還可以有交叉式 - 圖3之a(chǎn)和重疊式 - 圖3之b兩種不同形狀，這種情況稱為分子的構(gòu)象。不同構(gòu)象的分子，能量有一定差別，它們的對稱性亦不同，對于乙烷分子，常溫下交叉式的構(gòu)象比較穩(wěn)定。

分子常數(shù)

在一定狀態(tài)下，分子的形狀和大小、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都是一定的。研究分子的力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)以及分子光譜等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以獲得分子的平均運(yùn)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(tài)和離子的最低能態(tài)的能量差）、離解能（即分子最低能態(tài)分解為原子基態(tài)的能量差）、核間距離（即鍵長）、分子振動的力常數(shù)、偶極矩等物理量，還可以給出描述分子振動和轉(zhuǎn)動狀態(tài)的物理量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為分子常數(shù)，是描述分子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的重要數(shù)據(jù)。具體數(shù)值，見雙原子分子純轉(zhuǎn)動光譜。

分子質(zhì)量原子通過化學(xué)鍵結(jié)合成分子，分子有確定的質(zhì)量。分子的質(zhì)量與12C原子質(zhì)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6.0221367×10^23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(shù)目的乙醇分子，稱為1摩爾 - 或1克分子的乙醇。

通常把分子量大于10000的分子稱為高分子，當(dāng)然這個界限并不是絕對的。分子量大到一定的程度，分子會出現(xiàn)一些特有的性質(zhì)。高分子在工業(yè)上和生物化學(xué)上十分重要，例如塑料、橡膠、油漆、木材、蛋白質(zhì)、核酸、多糖等等都是高分子材料。

分子的分子量可通過實(shí)驗(yàn)測定。測定分子量的方法很多，其中以質(zhì)譜法最優(yōu)越，現(xiàn)代的高分辨質(zhì)譜儀測量分子量的精度可高于質(zhì)量數(shù)的萬分之一。其他如氣體狀態(tài)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(yīng)用于測定高分子的分子量等。

分子壽命

處于基態(tài)的分子在光、熱、電等形式能量的作用下，可能改變結(jié)構(gòu)，

形成受激態(tài)（或稱激發(fā)態(tài)）分子。受激態(tài)分子存在的時間往往很短，有的壽命只有微秒數(shù)量級或更短，故又稱為準(zhǔn)分子。利用閃光光解和分子光譜等實(shí)驗(yàn)，已對若干準(zhǔn)分子的壽命、結(jié)構(gòu)以及其他分子常數(shù)等進(jìn)行過研究。從射電天文學(xué)和分子光譜學(xué)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(wěn)定的，但卻能穩(wěn)定地存在于星際空間，這是因?yàn)樗鼈兲幱诜肿訕O為稀薄的天空之中，在不受其他分子干擾的狀態(tài)下，可以長期存在。

化學(xué)式

要反映分子中各種原子的真實(shí)數(shù)量，就要利用化學(xué)式。例如乙烯和丙烯的化學(xué)式分別為C2H4和C3H6。但化學(xué)式相同并不代表兩個分子是一樣的物質(zhì)，因?yàn)榉肿又性拥呐帕泻徒M合，亦即分子的結(jié)構(gòu)，也是決定分子性質(zhì)的要素。同樣的原子但排列不同的分子叫同分異構(gòu)體。同分異構(gòu)體有同一化學(xué)公式但因不同結(jié)構(gòu)的關(guān)系有不同的特質(zhì)。立體異構(gòu)體是一種特別的異構(gòu)體，它們可以有很相似的物理及化學(xué)性質(zhì)，而同時有十分不同的生物化學(xué)性質(zhì)。

由量子力學(xué)的定律的演算，分子有固定的平衡幾何狀態(tài)——鍵的長度和之間的角度。純物質(zhì)都是由相同幾何結(jié)構(gòu)的分子組合而成的。分子的化學(xué)式和結(jié)構(gòu)是決定它的特質(zhì)，尤其是它的化學(xué)活性的兩要素。

最冷分子

最冷分子

北京時間2014年8月29日，據(jù)國外媒體報道，美國耶魯大學(xué)的科學(xué)

家成功打造迄今為止溫度最低的分子。實(shí)驗(yàn)中，他們將選定分子的溫度降到只比絕對零度高出2.5‰的程度。這一研究成果能夠應(yīng)用于從量子化學(xué)到粒子物理學(xué)最基本理論測試等一系列領(lǐng)域，幫助科學(xué)家進(jìn)行各種新研究。研究論文刊登在《自然》雜志上。

研究中，耶魯大學(xué)的科學(xué)家利用激光降低一氟化鍶的溫度，這一過程被稱之為“磁光捕獲”。通過直接冷卻將分子溫度降至接近絕對零度 - 零下是物理學(xué)領(lǐng)域的一個里程碑式成就。耶魯大學(xué)物理學(xué)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(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。我們有機(jī)會了解基本的化學(xué)機(jī)制。”

過去，磁光捕獲就是原子物理學(xué)家非常推崇的一項(xiàng)技術(shù)，但只在單個原子尺度。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)取得的巨大成就是創(chuàng)造了有記錄以來分子——兩個或者更多原子群——溫度的最低紀(jì)錄。這項(xiàng)技術(shù)利用激光冷卻粒子同時將它們固定在適當(dāng)位置。德米勒博士解釋說：“想象一下一個淺碗，里面裝著一點(diǎn)糖蜜。如果將一些球滾到碗里，它們會緩慢下沉，最后堆積在碗底。具體到我們的實(shí)驗(yàn)，分子就是這些小球，裝糖蜜的碗通過激光束和磁場打造?！?/p>

靈感來源

一直以來，分子的復(fù)雜振動和旋轉(zhuǎn)還是一個巨大挑戰(zhàn)，無法進(jìn)行磁光捕獲。

耶魯大學(xué)的研究小組采取了一種獨(dú)特的方式進(jìn)行捕獲，靈感來自于上世紀(jì)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(chǎn)生的磁光捕獲型結(jié)果。

德米勒和他的同事在一個地下實(shí)驗(yàn)室研制他們的實(shí)驗(yàn)儀器。他們的儀器采用大量線路、電腦、電氣元件、鏡子和低溫冷藏裝置。冷卻過程中，他們使用十幾道激光，每一道激光都進(jìn)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(diǎn)亂?！?/p>

耶魯大學(xué)的研究小組之所以選擇一氟化鍶是因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)比較簡單——一個電子環(huán)繞整個分子移動。德米勒指出：“我們一度認(rèn)為最理想的選擇是雙原子分子?！边@一研究成果打開了一扇門，能夠應(yīng)用于一系列領(lǐng)域——從精確測量和量子模擬到超冷化學(xué)再到粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的測試——讓科學(xué)家進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)?！?/p>