Une molécule est une structure de base de la matière appartenant à la famille des composés covalents. L'Union internationale de chimie pure et appliquée définit la molécule comme « une entité électriquement neutre comprenant plus d'un atome ». 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).
Le mot français molécule est la transcription du latin scientifique molecula. Le mot latin, diminutif de moles (« meule, amas, lourde charge »), est construit par René Descartes dans les années 1620, et employé notamment par Pierre Gassendi. Le mot français est employé pour la première fois par Pierre Le Gallois en 1674.
Le concept de molécule, sous sa forme actuelle, est présenté pour la première fois en 1811 par Amedeo Avogadro, surmontant 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 est alors acceptée par beaucoup de chimistes, à quelques exceptions notables près (Ludwig Boltzmann, James Clerk Maxwell, Willard Gibbs[réf. nécessaire]). L'existence des molécules reste cependant discutée dans la communauté scientifique jusqu'au travail de Jean Perrin en 1911, qui confirme expérimentalement l'explication théorique du mouvement brownien proposée par Albert Einstein en 1905. Jean Perrin a également recalculé le nombre d'Avogadro par différentes méthodes.
Types particuliers de molécules
L'étude des composés biochimiques a conduit les chimistes à distinguer les molécules organiques et inorganiques. En 2011, il existe près de 10 millions de composés organiques connus (composés dont un des éléments chimiques constitutifs est le carbone), soit plus de 25 fois le nombre de molécules inorganiques.
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 électrique 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 courante 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.