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특정 분자를 이루는 원자들의 공간상에서의 분포를 분자구조라고 한다.

물분자의 예에서 볼 수 있듯이 분자의 성질은 분자의 구조와 상관관계가 있다. 분자구조 및 분자간 힘을 밝히면 분자의 행동을 이해할 수 있다.

분자들의 집합은 커다란 물체를 채워넣는 것과 같은 기하학적인 방식에 의해 규칙적인 결정배열을 하게 된다. 결정형은 그 결정을 이루는 분자의 모양을 반영한다. 긴 사슬형태의 분자는 주로 섬유 모양의 결정을 이루며 판 모양의 분자는 성층격자(成層格子)를 이룬다.

가장 간단한 분자는 수소분자(H₂)인데 2개의 수소원자로 이루어져 있다. 수소분자로부터 수백만 개의 원자로 되어 있는 생체 내의 분자에 이르기까지 분자의 크기와 복잡성은 다양하다. 수소·질소(N₂)·산소(O₂)·염화수소(HCl) 등의 이원자분자인 경우 분자구조에 관한 의문은 두 원자 사이의 거리뿐이다. 수소분자에 산소원자를 더해서 물분자(H₂O)를 만들면 구조에 관해 몇 가지 다른 의문점이 제기된다. 물분자의 경우 산소가 끝에 있거나(H-H-O), 중간에 있을 수(H-O-H) 있으며, 이 연결이 직선일 수도 있고 굽어 있을 수도 있다.

만약 연결이 굽어 있다면 원자 중심 사이의 거리뿐만 아니라 굽은 각도도 알아야만 분자구조를 결정할 수 있다. 원자수가 많은 분자는 3차원적 모양도 고려해야 한다.

분자는 결합된 원자들에 의해 만들어지는 3차원적 모양을 가질 수 있다. 게다가 분자는 끊임없이 움직이므로 분자 내의 원자들 사이의 기하학적인 관계는 고정되어 있지 않다. 즉 분자 자체가 기체나 액체 내에서 움직이고 있을 뿐만 아니라 분자의 여러 부분들 또한 끊임없이 움직인다.

이러한 분자의 내부운동은 진동의 형태를 취하는데, 진동운동에는 원자들과 원자단들이 앞뒤로 움직이며 그들 사이의 거리를 늘였다 줄였다 하는 신축진동과 원자간의 결합각이 커지거나 작아지는 굽힘진동 등이 있고, 복잡한 분자에서는 구조에 따라 부분적으로 원자단이 회전할 수도 있다. 또한 분자의 구조는 온도와도 관련이 있어서 고온에서는 원자들이 평형위치로부터 더 오랫동안 정도가 심하게 벗어날 수도 있으며, 때때로 새로운 운동형태가 가능해지기도 한다.

분자구조를 설명하기 위해 수많은 이론들이 제안되었다.

그중 하나는 양자역학을 이용하여 설명하는 것으로 궤도를 돌고 있는 전자가 파동의 성질을 가지고 있다고 간주하고, 원자궤도함수들을 수학적으로 처리하여 원자쌍이나 원자단이 어떻게 결합하여 분자궤도함수(화학결합)를 형성하는가를 결정하는 것이다. 강한 결합을 하기 위해서는 궤도함수들이 공간에서 가능한 한 많이 중첩되어야 하며, 결합 또는 공간에서 배향되어 있기 때문에 결과적으로 생기는 결합은 배향의 정렬도 필요하다.

또다른 접근법은 분자들을 전자와 원자핵 간의 인력이 최대가 되고 전자들 사이의 척력이 최소가 되도록 정전기적 균형을 이루고 있는 계로 생각하는 것이다.

결합되어 있는 원자들의 경우 각 원자핵과 인접한 원자의 전자들 사이의 인력이 가장 중요하다. 이런 관점에서 볼 때 분자의 가장 그럴듯한 모양은 이 정전기적 조건을 가장 잘 만족시키는 형태일 것이다. 원자단의 중심 원자핵으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 전자쌍이 그 원자단의 분자구조를 결정하는 데 가장 중요한 역할을 하는 것으로 여겨진다. 2개 이상의 전자쌍이 있을 경우, 음전하 중심부 사이의 반발력을 최소화하기 위해 전자쌍은 가능한 한 서로 멀리 떨어진 위치에 있으려 하는 반면, 원자핵에 가능한 한 가장 가까이 있으려고 한다.

전자쌍은 다른 쌍(결합)과 공유되어 인접한 분자에 상대적으로 작은 반발력을 줄 수도 있고 고립전자쌍으로 남아 반발력이 상대적으로 커질 수도 있다. 정다각형이나 정다면체의 기하학적 구조를 갖는 분자들에서 결합각의 일그러지는 정도는 전자쌍들 사이의 상대적인 반발력 차에 달려 있다는 것이 밝혀졌으며, 이 경우 결합쌍보다는 고립전자쌍의 반발력이 강하다.

분자의 구조는 분자를 구성하고 있는 원자와 원자단들의 공간적인 조건도 만족시켜야 한다.

원자의 정확한 크기는 알려져 있지 않지만 원자들이 차지하는 부피는 크게 압축되지 않는다. 구조 내의 한 부분에서 어떠한 힘이 생기더라도 원자의 부피가 다른 원자의 부피를 관통할 만큼 되지는 않는다. 이러한 공간적인 요구조건이 분자기하학에 중요한 요소가 된다. 같은 부피를 차지하는 원자에 대한 제약조건은 원자들이 공간을 어떻게 채워야 할 것인가에 대한 지침이 된다. 화학의 기본법칙으로부터 각 원자에 붙을 수 있는 다른 원자의 수(주로 일정한 값은 아님)가 결정된다.

원자들 사이의 거리와 각도는 끌어당기는 상호작용(결합)을 최대화시키고 정전기적 반발력을 최소화하도록 조절된다. 모든 분자들은 빠르고 동적인 운동을 하고 있으며, 이상의 원리에 바탕을 두고 여러 가지 분자의 모양과 크기가 결정된다. 크기와 모양은 다른 측면, 예를 들어 간단한 광물형태나 유연한 생체막에서의 분자의 확산에서도 중요하다.

구멍을 통과하는 막대 모양 분자의 경우나 가지 모양의 이성질체는 통과할 수 없는 막을 긴 사슬구조를 갖는 이성질체는 통과하는 것처럼 한 쪽의 크기만이 중요할 수도 있다.

어떤 물질이 기체·액체·고체 중의 어떤 상으로 존재할지는 분자간의 힘으로부터 알 수 있다. 강한 인력이 있으면 고체화가 일어나게 되며, 약한 힘일 경우는 쉽게 붕괴된다. 일련의 분자들의 분자간 힘이 비교적 일정할 때는 분자의 크기와 모양에 따라 상이 결정될 수 있다.

거리가 매우 가까워지면 모든 원자나 분자간에는 약한 인력이 생기며 더 강력한 다른 힘이 존재하지 않으면 이 약한 인력에 의해 액화(液化)가 일어나고, 온도가 낮아지면 결국 고체가 된다. 반면 반대전하를 띤 이온들 사이에는 강한 전기적 인력이 있다. 결정격자는 이러한 이온 집합체의 대표적인 형태이다. 이들 양쪽의 두 극단적인 형태(분자와 이온) 사이에 전기적으로 중성인 분자가 있는데, 비록 전체적으로는 중성이지만 분자 내의 한 부분은 음전하를 띠고 다른 쪽은 양전하를 띠고 있다. 이러한 분자는 마치 막대자석이 자기쌍극자인 것처럼 전기쌍극자가 되며 극성이라고 한다.

반면 비극성 분자에서는 전하가 균일하게 분포되어 있다. 2개의 분자에서 반대되는 극성을 띤 끝부분들은 서로를 끌어당긴다. A－A처럼 같은 원소로 된 이원자분자는 비극성이다. 반면 A－B처럼 다른 종류의 원자를 포함하고 있는 모든 이핵(異核) 이원자분자들은 극성이다. 이는 A와 B를 연결시켜 주는 전자들이 본질적으로 두 원자중 하나에 더 가까이 있게 되어 계의 전기적 균형이 깨지기 때문이다.

이 불균형의 정도를 쌍극자 모멘트라고 한다. 그러나 산소와 탄소 사이의 극성결합으로 이루어진 O=C=O처럼 완전히 선형을 이루고 있는 A－B－A 분자의 경우 크기는 같으나 서로 방향이 반대인 C=O 쌍극자 벡터가 서로 상쇄되기 때문에 극성을 띠지 않는다. 반면 물분자가 극성을 가진다는 것으로부터 H－O－H는 굽어 있다는 것을 알 수 있는데, 이는 물분자가 일직선이 아니라 굽어 있는 형태일 경우에만 두 O－H 쌍극자 벡터가 서로 더해져서 알짜쌍극자 모멘트가 생길 수 있기 때문이다.

극성분자에서 전자가 풍부한 쪽이 인접한 분자들의 전자가 부족한 쪽을 끌어당긴다. 이 인력은 전하를 띤 이온들 사이의 힘보다는 훨씬 약하지만 이 인력에 의해 극성분자의 중요한 성질이 생긴다. 예를 들어 물분자의 쌍극자 벡터에 의해 액체인 물과 얼음의 경우 앞에서 언급한 수소결합이 생긴다.