Représentation schématique 3D d'une molécule de saccharose.

Schéma de la liaison covalente de deux atomes d'oxygène.

Une molécule est une structure de base de la matière. C'est l'assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, différents ou non, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les propriétés caractéristiques de la substance considérée. Les molécules constituent des agrégats atomiques liés par des forces de valence (liaisons covalentes) et elles conservent leur individualité physique. Des forces plus faibles, telles les liaisons hydrogène et celles de type van der Waals, les maintiennent à proximité les unes des autres à l'état liquide et/ou solide.

L'assemblage d'atomes constituant une molécule n'est pas définitif, il est susceptible de subir des modifications, c’est-à-dire de se transformer en une ou plusieurs autres molécules ; une telle transformation est appelée réaction chimique. En revanche, les atomes qui la constituent sont des assemblages (de particules) beaucoup plus stables, qui se conservent durant une réaction chimique car la transformation d'atomes, appelée transmutation, nécessite des apports d'énergie beaucoup plus importants faisant l'objet des réactions nucléaires.

La composition chimique d'une molécule est donnée par sa formule chimique. Exemples :

la molécule de méthane CH4 est constituée d'un atome de carbone (C) et de quatre atomes d'hydrogène (H) ; la molécule de dioxygène O2 est constituée de deux atomes d'oxygène (O).

Histoire du concept

Le nom « molécule » provient du latin scientifique molecula, diminutif du nom latin moles, se traduisant par « masse ».

Le concept de molécule, sous sa forme actuelle, a été présenté la première fois en 1811 par Avogadro, qui a su surmonter la confusion faite à cette époque entre atomes et molécules, en raison des lois des proportions définies et multiples de John Dalton (1803-1808).

L'analyse d'Avogadro a été acceptée par beaucoup de chimistes, à des exceptions notables (Boltzmann, Maxwell, Gibbs). Mais l'existence des molécules est restée en discussion ouverte dans la communauté scientifique jusqu'au travail de Jean Perrin (1911) qui a alors confirmé expérimentalement l'explication théorique du mouvement brownien en termes d'atomes proposée par Einstein (1905). Jean Perrin a également recalculé le nombre d'Avogadro par plusieurs méthodes.

Types particuliers de molécules

Dipôle de la molécule d'eau.

Une molécule élémentaire ou homonucléaire est une molécule constituée d'un seul type d'atomes, par exemple le dioxygène (O2). Lorsqu’une molécule est composée de plusieurs types d’atomes, elle est dite hétéronucléaire.

Une molécule polaire ou apolaire est respectivement une molécule ayant un moment dipolaire résultant non nul (cas de la molécule d'eau) ou nul.

Une molécule hydrophile ou hydrophobe est une molécule qui a de l'affinité pour l'eau ou qui fuit l'eau (non soluble ou non miscible avec l'eau), respectivement ; comme l'acide oléique, molécule hydrophobe qui fuit donc l'eau.

Une molécule amphiphile est une molécule ayant une ou plusieurs parties hydrophiles et une ou plusieurs parties hydrophobes.

En appliquant strictement la définition, les ions polyatomiques ne sont pas des molécules. En revanche, les zwitterions, globalement neutres mais possédant des charges de signe opposé dans différentes parties de leur structure, sont des molécules.

Une molécule marquée est une molécule dans laquelle un ou plusieurs atomes sont remplacés par un de leurs isotopes. Cette pratique est courant avec des isotopes radioactifs, dans un but médical .

Une molécule activée (ou excitée) est une molécule qui contient un ou plusieurs atomes excités, atomes dont un ou plusieurs électrons se trouvent à des niveaux d'énergie plus élevés que celui de l'état fondamental.

Deux molécules sont dites isoélectroniques si elles ont la même configuration électronique de valence.

Molécule médicamenteuse : on appelle abusivement molécule la substance active d'un médicament (par opposition à son nom de marque), quand bien même la substance active est composée de plusieurs espèces chimiques différentes (exemple : cas de la gentamicine). Il est préférable de parler de substance active ou de principe actif.

Caractéristiques

Ordonnancement

Les molécules d'un corps sont en agitation permanente (sauf au zéro absolu). Cette agitation, appelée mouvement brownien, a été décrite la première fois par Robert Brown en 1821 dans les liquides (mais expliquée presque 100 ans plus tard).

À l'état gazeux, les molécules sont très espacées, très agitées, avec des mouvements désordonnés provoqués par les chocs entre elles ou avec les corps solides avec lesquelles elles sont en contact (parois).

À l'état liquide, l'espace entre les molécules est beaucoup plus restreint, l'agitation beaucoup plus lente.

À l'état solide, les molécules sont rangées selon un empilement, régulier ou non, et vibrent autour d'une position moyenne.

La température d'un corps donne une indication du degré d'agitation des molécules.

Les forces d'interaction de très faible intensité qui s'exercent à distance entre les molécules, appelées forces de van der Waals, conditionnent ces arrangements et par conséquent les propriétés physiques des composés moléculaires. Ainsi, par exemple, les propriétés physiques exceptionnelles de l'eau sont dues pour beaucoup aux liaisons hydrogène.

Stabilité

Les molécules sont des ensembles a priori électriquement neutres, dans lesquels les atomes sont liés entre eux majoritairement par des liaisons covalentes (il existe de nombreux exemples d'assemblages supra-moléculaires par liaisons de type van der Waals, hydrogène ou ionique), où apparaissent parfois des dissymétries électroniques pouvant aller jusqu'à donner des ions par solvatation (solvants polaires). Dès lors, on doit conclure que le dihydrogène (H2), le dichlore, le difluor et tant d'autres gaz diatomiques, sont électriquement neutres. Ce qui laisse entendre que lorsqu'ils sont isolés, ils sont zérovalents, pour respecter l'équivalence qu'il doit y avoir dans toute équation équilibrée en charges et globalement neutre comme : 2 H2 + O2 = 2H2O. Ici, dans la partie des réactifs, le dihydrogène et le dioxygène sont des molécules isolées et donc n'ont pas de charge propre, comme H2O (bien que molécule polaire). L'équation chimique vérifie donc la neutralité de la charge globale.

La forme et la taille d'une molécule (ou de l'une de ses parties) peut jouer un rôle dans son aptitude à réagir. La présence de certains atomes ou groupes d'atomes à l'intérieur d'une molécule joue un rôle majeur dans sa capacité à se rompre ou à fixer d'autres atomes issus d'autres corps, c’est-à-dire à se transformer pour donner naissance à d'autres molécules.

Les différents modes de représentation des molécules sont destinés à expliciter les différents sites réactifs ; certains enchaînements d'atomes, appelés groupes fonctionnels, produisent ainsi des similitudes de propriétés, tout particulièrement dans les composés organiques.

Les macromolécules et polymères

Les molécules possédant au moins plusieurs dizaines d'atomes sont appelées macromolécules ou polymères.

Exemples :

les protéines, les lipides, les sucres, les acides nucléiques tels l'ADN et autres biomolécules de grandes tailles sont également des macromolécules où la grande variété des liaisons chimiques internes induit une réactivité chimique souvent très sélective jouant un rôle majeur dans l'activité biologique des êtres vivants ;

les polyoléfines telles le polyéthylène (polymère synthétique) sont constituées d'enchaînements -C-C- ; le nombre d'atomes de carbone des chaînes peut atteindre plusieurs dizaines de milliers (correspondant à un degré de polymérisation élevé), d'où des propriétés physiques particulières.

Les corps non moléculaires

Il existe deux autres grandes catégories de corps purs non moléculaires :

les métaux, qui contiennent une seule sorte d'atomes tous liés les uns aux autres par mise en commun globale et délocalisée d'électrons, appelée liaison métallique ;

les composés ioniques qui regroupent des atomes (ou groupement d'atomes) dont certains supportent un excès d'électrons (anions) répartis parmi d'autres acceptant un déficit d'électrons (cations). La cohésion de l'ensemble est alors assurée par les forces électriques présentes à l'origine des liaisons ioniques.

Dans le milieu interstellaire

Les couches externes des étoiles contiennent, malgré les températures extrêmes qui y règnent, des molécules, telles le monoxyde de carbone. Les comètes et les atmosphères gazeuses des planètes contiennent une plus grande variété de molécules.

Dans le milieu interstellaire, où la probabilité de rencontre entre atomes est très faible, il existe des assemblages instables (radicaux) d'une diversité restée longtemps inconnue qui est peut-être à l'origine des premières molécules du monde du vivant.

Le niveau moléculaire

La structure des organismes biologiques qui constituent la biosphère peut être décomposée en plusieurs niveaux d'organisation : atomique, moléculaire, cellulaire, tissulaire, organique, des systèmes nerveux, et enfin celui de l'organisme dans sa totalité fonctionnelle.

L'étude scientifique du vivant se fait par des recherches sur les éléments de chacun de ces niveaux, puis par la compréhension des interactions entre ces différents niveaux (voir l'article Méthode scientifique).

L'étude du niveau des molécules permet de comprendre le fonctionnement de la cellule, qui est l'unité fonctionnelle élémentaire du vivant.

分子是一种构成物质的粒子，呈电中性、由一个或多个原子组成，原子之间因共价键而键结。能够单独存在、保持物质的化学性质；由分子组成的物质叫分子化合物。

一个分子是由多个原子在共价键中通过共用电子连接一起而形成。它可以由相同的化学元素构成，如氧气分子 O2；也可以由不同的元素构成，如水分子 H2O。若原子之间由非共价键的化学键（如离子键）所结合，一般不会视为是单一分子。

在不同的领域中，分子的定义也会有一点差异：在热力学中，构成物质的分子（如水分子）、原子（如碳原子）、离子（如氯离子）等在热力学上的表现性质都是一样的，因此，都统称为分子；在气体动力论中，分子是指任何构成气体的粒子，此定义下，单原子的惰性气体也可视为是分子。而在量子物理、有机化学及生物化学中，多原子的离子（如硫酸根）也可以视为是一个分子。

同一分子的不同画法。左、中图为立体模型，右图为平面表示。（左）黑、白色球体分别代表碳、氢原子，球体间的柱体表示化学键。模型被一团云包围，代表着分子的表面，红、蓝色分别代表正、负电。（中）与左图相似。浅蓝、白色球体分别代表碳、氢原子，柱体表示化学键。（右）这种利用化学符号和直线来表示分子结构的画法称为结构式。

分子可根据其构成原子的数量（原子数）分为单原子分子，双原子分子等。

在气体中，氢分子（H2）、氮分子（N2）、氧分子（O2）、氟分子（F2）和氯分子（Cl2）的原子数是2；固体元素中，黄磷（P4）原子数是4，硫（S8）的是8。所以，氩（Ar）是单原子的分子，氧气（O2）是双原子的，臭氧（O3）则是三原子的。

许多常见的有机物质都是由分子所组成的，海洋和大气中大部份也是分子。但地球上主要的固体物质，包括地函、地壳及地核中虽也是由化学键键结，但不是由分子所构成。在离子晶体（像盐）及共价晶体有反复出现的晶体结构，但也无法找到分子。固态金属是用金属键键结，也有其晶体结构，但也不是由分子组成。玻璃中的原子之间依化学键键结，但是既没有分子的存在，其中也没有类似晶体反复出现的晶体结构。

历史

约翰·道尔顿 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）中孔氧化硅，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 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），尽管这两个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C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．称为式量。 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。 同分异构体是指二个化合物组成分子的种类及个数相同，但其结构不同。同分异构体有相同化学式，但因结构的不同，有不同的特质，例如乙醇和甲醚有不同的结构，但其化学式都是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 大部份化合物的分子及巨分子都是抗磁性。分子的磁化率 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，包括外层电子数是奇数个的分子（例如NO及自由基）以及分子中有部份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。 两个极性分子（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。 若是一个极性分子和一个非极性分子，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。 分散力是指两个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，或是两个有瞬时偶极的分子会互相影响。