分子

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体である。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、イオンとの区別はされず、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（O ₂）の2つの原子）で構成される場合もあれば、異核分子（例えば水（2つの水素原子と1つの酸素原子、H ₂ O））で構成される化合物の場合もあります。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のによく使用されます。これにより、分子が2つ以上の原子を含むという要件が緩和されます。なぜなら、希ガスは個々の原子だからです。^[9]水素結合やイオン結合などの非共有結合相互作用によって結合した原子や複合体は、通常、単一の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間をかけて洗練され、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」という単語はラテン語の「モル」、つまり質量の小さな単位に由来している。この単語はフランス語のmolécule（1678年）に由来し、新ラテン語のmolecula（ラテン語の「質量、障壁」の縮小形）に由来し ている。18世紀後半までラテン語形式でのみ使用されていたこの単語は、デカルトの哲学書で使用された後に普及した。^{[11] [12]}

分子の定義は、分子の構造に関する知識が増えるにつれて進化してきました。以前の定義はそれほど正確ではなく、分子はその組成と化学的性質を保持している純粋な化学物質の最小の粒子と定義されていました。 ^{[13]この定義は、}岩石、塩、金属など、日常の経験で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るわけではないため、しばしば破綻します。

分子の現代的概念は、レウキッポスやデモクリトスなどの科学以前のギリシャ哲学者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的な元素（火（）、地球（）、空気（）、水（)) と、要素が相互作用できるようにする引力と反発力の「力」です。

5 番目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観点は、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、より具体的には、結合した原子の集合体または単位、つまり「分子」の概念は、ロバート・ボイルが 1661 年に有名な論文「懐疑的な化学者」の中で提唱した仮説にその起源をたどることができます。その仮説とは、物質は粒子のクラスターで構成され、化学変化はクラスターの再配置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「小体」と呼ばれるさまざまな種類とサイズの粒子で構成されており、これらの粒子はグループに自己配置できると主張しました。1789 年、ウィリアム・ヒギンズは、彼が「究極」粒子の組み合わせと呼ぶものに関する見解を発表しました。これは、原子価結合の概念の前兆でした。たとえば、ヒギンズによれば、酸素の究極粒子と窒素の究極粒子の間の力が 6 である場合、力の強さはそれに応じて分割され、他の究極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」という言葉を生み出した。^[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、パーティントン著『化学小史』によれば、基本的に次のように述べている。^[15]

気体の最小の粒子は必ずしも単純な原子ではなく、一定数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ます。

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、直線状の水分子などの半正確な分子構造とH ₂ Oなどの正しい分子式の両方を明確に示す「体積図」を利用して、原子量に関するアボガドロの仮説^[16]を明確に説明しました。

1917年、無名のアメリカ人の化学工学の学部生、ライナス・ポーリングは、当時原子間の結合を説明する主流の方法であったドルトンフックアンドアイ結合法を学んでいた。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た。彼は、すべて液相系を含む3つの異なる方法を使用してアボガドロ定数を計算することでこれを達成した。最初に、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、液相中の粒子回転に関するアインシュタインの理論を確認した。^[17]

1927年、物理学者フリッツ・ロンドンとウォルター・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、すなわち交換力の取り扱いに応用した。彼らの共同論文^{[18]におけるこの問題の原子価結合の扱いは、化学を量子力学の下に置いたという点で画期的であった。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問していたポーリングに影響を与えた。

その後、1931年に、ハイトラーとロンドンの研究と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。この論文でポーリングは}量子力学を使用して、結合間の角度や結合の周りの回転など、分子の特性と構造を計算しました。これらの概念に基づいて、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、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であり、以下に示すような分子構造が生成されます。

分子の科学は、化学と物理学のどちら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。ただし、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システム（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な場合があります。不安定分子という用語は、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のシステムなど、非常に反応性の高い種、つまり電子と原子核の短寿命の集合体（共鳴）に対して使用されます。

分子は物質の構成要素として一般的です。分子は海洋や大気の大部分も構成しています。ほとんどの有機物質は分子です。生命の物質は分子です。たとえば、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にイオン化合物であるため、分子ではありません (硫酸鉄など)。

しかし、地球上の身近な固体物質の大部分は、分子からできていない結晶またはイオン化合物で部分的または完全にできています。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、玉石、岩盤、溶融内部、地球の中心核が含まれます。これらはすべて多くの化学結合を含んでいますが、識別可能な分子からできているわけではありません。

塩や共有結合結晶については典型的な分子を定義することはできませんが、これらは多くの場合、平面(グラフェンなど) または 3 次元 (ダイヤモンド、石英、塩化ナトリウムなど)に広がる繰り返し単位セルで構成されます。繰り返し単位セル構造のテーマは、金属結合による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しており、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セル構造の規則性もありません。

分子は一般に共有結合によって結びついています。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。たとえば、水素などです。

金属結晶は金属結合によって結合した単一の巨大分子とみなせると主張する人もいるが^[20]、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る^{[21] 。}

共有結合は、原子間の電子対の共有を伴う化学結合です。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反発力の安定したバランスが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含む化学結合の一種であり、イオン性化合物で発生する主要な相互作用です。イオンは、1つ以上の電子を失った原子（陽イオンと呼​​ばれる）と1つ以上の電子を獲得した原子（陰イオンと呼​​ばれる）です。^{[23]この電子の移動は、}共有結合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、NH ₄ ⁺やSO ₄ ²⁻などの分子イオンなど、より複雑な性質のものもあります。通常の温度と圧力では、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（または時々液体）を作成しますが、そのような物質の気化/昇華は、電子が十分に移動した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見るには小さすぎますが、多くのポリマーの分子は、DNAなどの生体高分子を含め、肉眼で見えるサイズに達します。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が (前述のとおり)、小さな分子や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。最も大きな分子のいくつかは、高分子または超分子です。

最も小さい分子は二原子水素（H2 _）で、結合長は0.74Åである。^[24]

有効分子半径は、分子が溶液中に示す大きさである。^{[25] [26]}さまざまな物質の選択透過性の表 に例が示されている。

分子の化学式では、化学元素記号、数字、および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 (-) などの他の記号が 1 行使用されます。これらは、下付き文字や上付き文字を含めることができる 1 行の印刷記号に限定されます。

化合物の経験式は、非常に単純なタイプの化学式です。^[27]それは、それを構成する化学元素の最も単純な整数 比です。 ^[28]たとえば、水は常に水素原子と酸素原子の比率が 2:1 で構成されており、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。ただし、これによって分子の種類が一意に決まるわけではありません。たとえば、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、たとえば炭水化物は同じ比率 (炭素:水素:酸素 = 1:2:1) (したがって同じ経験式) ですが、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、異なる分子の特性を示します。ただし、異なる異性体は異なる分子でありながら同じ原子構成を持つ場合があります。

実験式は分子式と同じになることが多いですが、常に同じというわけではありません。たとえば、アセチレン分子の分子式は C ₂ H ₂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、中性炭素 12 ( ¹² C同位体) 原子の質量の 1/12 に等しい従来の原子質量単位で表されます。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、構造式と呼ばれるグラフィカルなタイプの式が必要になる場合があります。構造式は、1 次元の化学名で表すことができますが、こ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（結合長と角度）を持ち、振動運動と回転運動によってその周りを絶えず振動しています。純物質は、同じ平均的幾何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、構造が異なるため、通常は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よれば周波数）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レベルを持ち、吸収または放出による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、宇宙空間の分子の特定に使用できます。赤外線分光法は、分子の振動を測定し、伸縮、曲げ、ねじれなどの運動が含まれます。これは、分子内の結合の種類や官能基の特定によく使用されます。電子の配置が変化すると、紫外線、可視光線、近赤外線の吸収線または輝線が生じ、色が現れます。核共鳴分光法は、分子内の特定の核の環境を測定し、分子内のさまざまな位置にある原子の数を特徴付けるのに使用できます。

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H ₂ ⁺であり、すべての化学結合の中で最も単純なのは1電子結合です。H ₂ ^{+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、システム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つになっています。

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場合、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、この定義には、従来は分子とはみなされない弱く結合した種、たとえばヘリウム二量体(He ₂₎が含まれます。ヘリウム 二量体は 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、非常に低温でのみ観測される可能性があります。

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、本質的に操作上の定義です。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 (たとえば、素粒子とは対照的です)。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レベルの相互作用の強さについて化学者が有用な説明を行う方法です。

• 今月の分子 – ブリストル大学化学学部