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分子モデルとは、原子レベルのシステムを物理的にモデル化したもので、分子とその反応過程を表します。分子モデルは、化学の理解や仮説の生成・検証において重要な役割を果たします。分子の特性や挙動を数学的にモデル化することを分子モデリングと呼び、その図解表現を分子グラフィックスと呼びます。
「分子モデル」とは、1つ以上の原子を明示的に含む系（ただし、溶媒原子は暗黙的に表現される場合もある）を指し、核構造は無視される。電子構造も、モデル化対象の分子の機能を説明する上で必要でない限り、省略されることが多い。
分子モデルは、いくつかの理由で作成される。例えば、学生や原子構造に馴染みのない人への教育ツールとして、理論の生成や検証のための対象物として（DNAの構造など）、アナログコンピュータとして（柔軟なシステムにおける距離や角度の測定など）、あるいは芸術と科学の境界にある美的に魅力的な対象物として。
物理モデルの構築はしばしば創造的な行為であり、科学部門のワークショップでは多くの特注モデルが丁寧に作られてきました。物理モデリングには非常に幅広いアプローチがあり、市販のボールアンドスティックモデルから、 3Dプリンターを使用して作成された分子モデルまであります。主な戦略は、当初は教科書や研究論文で、最近ではコンピューター上で行われています。分子グラフィックスにより、コンピューターハードウェア上での分子モデルの視覚化がより簡単、アクセスしやすく、安価になりましたが、物理モデルは、表現される触覚的および視覚的なメッセージを強化するために広く使用されています。
1600年代、ヨハネス・ケプラーは雪の結晶の対称性や果物などの球状物体の密な充填について考察した。 [ 1 ]密に充填された球体の対称的な配置は1800年代後半の分子構造の理論に影響を与え、結晶学や固体無機構造の多くの理論では、等しい球体と等しくない球体の集合体を使用して充填をシミュレートし、構造を予測した。
ジョン・ドルトンは化合物を円形原子の集合体として表現し、ヨハン・ヨーゼフ・ロシュミットは物理モデルを作成しなかったものの、円に基づいた彼の図は後のモデルの2次元版である。[ 2 ]
アウグスト・ヴィルヘルム・フォン・ホフマンは、1860年頃に最初の物理的な分子モデルを考案したとされている。[ 3 ]現存するメタンのモデルは、1865年4月7日に王立研究所で行われた彼の金曜夜の講演で、クロッケーボールを使ってさまざまな化学構造を説明したものである。
こうして、塩素原子は一価、酸素原子は二価、窒素原子は三価、そして最後に炭素原子は四価と区別されます。―私はこれを非常に簡単な仕掛けで示すことができると思います。今回は、許可を得て、最も楽しいゲームであるクロッケーから例を選びたいと思います。クロッケーのボールを原子に見立て、異なる元素の原子を異なる色で区別しましょう。白いボールは水素、緑のボールは塩素原子、燃えるような酸素原子は赤、窒素原子は青、そして最後に、炭素原子は当然ながら黒いボールで表されます。しかし、さらに、これらの原子の異なる結合力も示す必要があります。これは、ボールに多数の金属製の腕（チューブとピン）をねじ込むことによって実現されます。これらの腕は、それぞれ表現される原子の結合力に対応しており、特徴的な追加要素を構成すると同時に、ボールを結合し、このようにして、図示される原子構造を模倣した一種の機械的構造を構築することができます。」[ 4 ]
ホフマンはこれを現実の表現ではなく、説明のためのモデルとして使用した。棒は物理的な結合を表しているわけではなく、実際の分子が平面であることも意味しない。
当時は立体化学の重要性は認識されておらず、このモデルは本質的にトポロジー的なものである（3次元の正四面体であるべきである）。
ヤコブス・ヘンリクス・ファン・ト・ホッフとジョセフ・ル・ベルは、立体化学という3次元空間における化学の概念を導入した。ファン・ト・ホッフは、炭素の3次元的な性質を表す四面体分子を構築した。
繰り返し単位を用いることで、原子を表す球体を通して分子を表現することがいかに簡単で分かりやすいかを示すことができる。
二元化合物である塩化ナトリウム（NaCl）と塩化セシウム（CsCl）は立方晶構造を持つが、空間群が異なる。これは、大きさの異なる球が密に充填されているという観点から説明できる。例えば、NaClは、面心立方格子に密に充填された塩化物イオンと、その八面体空隙に収まったナトリウムイオンとして記述できる。結晶構造を決定するツールとしてX線結晶解析が開発されて以来、多くの研究室が球を基にしたモデルを作成した。プラスチックやポリスチレン製の球が開発されたことで、現在ではこのようなモデルを簡単に作成できる。
原子間の直接的なつながりとしての化学結合の概念は、球（原子）と棒（結合）を連結することでモデル化できます。これは非常に人気があり、今日でも広く使用されています。当初、原子は棒を通すための特別な穴が開けられた球状の木製ボールで作られていました。したがって、炭素は、正四面体角 cos −1 (− 1 ⁄ 3 ) ≈ 109.47°に 4 つの穴が開いた球として表すことができます。
剛体結合と剛体孔では、任意の角度を持つシステムを構築できないという問題があります。これは、もともとはらせん状のバネでしたが、現在では通常プラスチック製の柔軟な結合を用いることで克服できます。これにより、二重結合や三重結合を複数の単結合で近似することも可能になります。
上に示したモデルは、プロリンのボールアンドスティックモデルを表しています。ボールには色がついており、黒は炭素（C）、赤は酸素（ O）、青は窒素（ N）、白は水素（H）を表します。各ボールには、正四面体の頂点に向かって、その原子価（C：4、N：3、O：2、H：1）と同じ数の穴が開けられています。単結合は、（比較的）剛直な灰色の棒で表されます。二重結合と三重結合は、回転を制限し、従来のシス／トランス立体化学を支える、より長い2本の柔軟な結合で表されます。
しかし、ほとんどの分子は他の角度に穴が必要であり、専門会社がキットや特注モデルを製造している。正四面体、正三角形、正八面体の穴の他に、24個の穴を持つ汎用ボールもあった。これらのモデルは、単一の棒状結合を中心に回転することができ、これは利点（分子の柔軟性を示す）と欠点（モデルがぐらつく）の両方になり得る。おおよその縮尺は1オングストローム あたり5cm （0.5m/nmまたは5億：1）であったが、すべての元素で一貫していたわけではなかった。
エジンバラのアーノルド・ビーバーズは、PMMAボールとステンレス鋼棒を用いて小型模型を製作した。これらの模型では、結合角と結合長が精密に調整された個々の穴あけ加工されたボールを用いることで、大型結晶構造を軽量かつ剛性の高い形状で正確に再現することができた。図4は、この手法で製作されたルビーの単位格子を示す。
クリックとワトソンのDNAモデルやケンドリューのタンパク質合成キットは、初期の骨格モデルの例である。これらは原子構成要素に基づいており、原子価は棒で表され、原子は交点の点として表現された。結合は、ロックネジ付きの管状コネクタで構成要素を連結することによって形成された。
アンドレ・ドライディングは1950年代後半に、コネクターを不要にした分子模型キットを発表した。このキットでは、原子に実線の棒と中空の原子価突起が付けられ、実線の棒がチューブにカチッと嵌め込まれて結合する。結合は通常、自由に回転できる。これらのキットは有機化学部門で広く使われており、非常に精密に作られていたため、原子間の距離を定規で測ることもできた。
最近では、Orbitなどの安価なプラスチックモデルでも同様の原理が用いられている。小さなプラスチック製の球体に突起があり、そこにプラスチック製のチューブを取り付けることができる。プラスチックの柔軟性により、歪んだ形状を作り出すことが可能だ。
多くの無機固体は、電気陰性度の高い原子の配位圏に囲まれた原子から構成されている（例：PO₄四面体、TiO₆八面体）。これらの構造は、紙やプラスチックで作られた多面体を接着することで模型化できる。
複合モデルの良い例として、1970年代後半から生体高分子のモデル構築に広く用いられてきたニコルソン法が挙げられる。構成要素は主にアミノ酸と核酸であり、あらかじめ形成された残基が原子群を表す。これらの原子の多くはテンプレートに直接成形され、小さな穴にプラスチック製の突起を押し込むことで互いに嵌め込まれる。プラスチックはしっかりと固定され、結合部の回転を困難にするため、任意のねじれ角を設定してその値を維持することができる。主鎖と側鎖の立体構造は、ねじれ角を事前に計算し、分度器でモデルを調整することによって決定される。
プラスチックは白色で、酸素原子と窒素原子を区別するために塗装することができる。水素原子は通常、暗黙的に表現され、スポークを切り取ることでモデル化される。約300個の残基からなる典型的なタンパク質のモデルを作成するのに1か月かかることもあった。研究室では、構造が解明されたタンパク質ごとにモデルを作成するのが一般的だった。2005年までに、非常に多くのタンパク質構造が解明されたため、作成されるモデルは比較的少なくなった。
コンピュータベースの物理モデリングの発展により、表面の座標をコンピュータに入力することで、完全な一体型モデルを作成することが可能になりました。図6は、3D Molecular Design社製の炭疽菌毒素モデル（左：約20Å/cm、縮尺1:5,000,000）と緑色蛍光タンパク質モデル（右： 高さ5cm、縮尺約4Å/cm、縮尺1:25,000,000）を示しています。モデルは、ラピッドプロトタイピングプロセスを用いて、石膏またはデンプンで作られています。
また最近では、表面下レーザー彫刻と呼ばれる技術を用いて、ガラスブロック内部に精密な分子モデルを作成することも可能になった。
コンピュータは分子を数学的にモデル化することもできます。Avogadroのようなプログラムは一般的なデスクトップコンピュータで実行でき、結合長や結合角、分子の極性や電荷分布、さらには吸収スペクトルや発光スペクトルといった量子力学的特性を予測できます。しかし、これらのプログラムは原子数が増えるにつれて分子をモデル化できなくなります。なぜなら、計算量は原子数の2乗に比例するからです。分子内の原子数が4倍になると、計算時間は16倍になります。創薬やタンパク質の折り畳みなど、ほとんどの実用的な目的においては、モデルの計算にはスーパーコンピュータが必要であり、従来のコンピュータでは妥当な時間内に実行することは不可能です。量子コンピュータは、各サイクルで実行される計算の種類が分子モデリングに適しているため、より少ない計算で分子をモデル化できます。
分子モデルでよく使われる色には次のようなものがあります。[ 5 ]
この表は、物理分子モデルが重要な科学的知見をもたらした出来事を時系列で示した不完全な表です。