分子モデル（ぶんしモデル、英: molecular model）とは、原子の幾何学的配列から推定される分子構造のこと。近年では分子構造が詳しく分かるようになったため、3次元的に造形したものを視覚化して立体化学を理解する助けのために用いられるモデル、模型も意味するようになった[1]。分子の立体的な構造を玉や棒を用いて表したものは特に分子模型（ぶんしもけい、英: molecular graphics）、原子模型（げんしもけい）と呼ばれる[1]。分子模型は高等・中等教育や科学入門教育において活用され、大きな教育効果があることがわかっている[2]。
概要

最も早い原子・分子模型はジョン・ドルトンが1810年ごろに使った、原子を模した木の玉であるとされている[3]。その後、有機立体化学の研究に分子模型が重要な役割を演ずるようになった[4]。分子模型の中には結晶構造模型として、結晶学の理解に使われるものもある[4]。分子模型には大きく2種類があり、原子の位置と結合の状態を正確に表すだけものと、電子雲の大きさまで表すようにしたものがある[5]。

作成するためには樹脂などでできた部品を手で組み合わせたり、コンピューター上で描画したり、計算化学やX線結晶構造解析などの手法で得られた構造をもとに視覚化したりする。

単体や無機塩の場合も含む結晶構造について分子モデルに相当するものは結晶構造モデルまたは結晶構造模型と呼ばれ、分子モデルと同様の形式で表される。

当初は大学や高校の化学の授業で用いられる程度だったが、1億倍実体積分子模型を発泡スチロール球で作る方法が開発されてから、急速に初等科学教育の中に普及し、小学校低学年の科学入門教育でも大きな成果を出すまでになった[2][6]。
表現形式
針金モデルイブプロフェンの針金モデル。

結合のみを針金状にあらわしたモデル。球は用いない。

分子の立体構造をなるべく正確に表すためにチューリッヒ大学のS.Dreiding(en:Andre Dreiding)が1959年に考案し、スイスの企業が特許を取って販売した。ステンレスの棒と管の組み合わせでできている[5]。C-C結合の結合距離が正確に出るように工夫されていた。この模型には水素を表す部品はなかった[7]。いろいろな分子模型を組み立てるには多種類の部品が必要で高価であるのが欠点だった。アメリカのL.F.Fieser(en:Louis Frederick Fieser)は1963年にプラスチック製の模型を作り、販売した[8]。
球棒モデルプロリンの球棒モデル

原子を球、結合を棒であらわしたモデル。棒の長さは結合長を反映する。球の大きさは原子半径を反映しない。

1865年にドイツのホフマンが発明した[9]。日本では、1966年に畑一夫[注 1]らの考案で日ノ本合成樹脂製作所[注 2]で製作され、HGS分子模型の名で丸善が販売した[8]。このモデルでは従来の球棒モデルで原子を丸い玉で表していたものを多面体に変更して結合角が正確に模型化でき、結晶模型を作ることもできた[8]。
空間充填モデル（スチュアート模型）水分子の実体積モデル。

原子半径の大きさを反映させた球で原子を表したモデル。

1934年にドイツの実験物理学者ヘルベルト・アーサー・スチュアート(en:Herbert Arthur Stuart（1899-1974年）)[注 3]が発明した模型[11]。発明者の名前を取ってスチュアート模型とも呼ばれる。「CPKモデル」は1965年にコリー（R.Corey）とポーリング（L.Pauling）が模型を作り、それを詳しい計算で改良したコルタン（W.Koltum）の頭文字をとったものである[12]。「空間充填分子模型」はSpace Fulling Molecular Modelの直訳である[12]。初等科学教育の分野では子どもたちがイメージしやすい用語として実体積分子模型[注 4]と呼ぶことが主流である[12]。

それまでの模型が結合角と結合距離だけ正確に作り、分子の骨格だけを表していたのに対して、分子骨格を取り巻く電子雲も表そうとした模型である。原子をファンデルワールス半径の大きさにとり、結合距離に応じて原子球の一部を切り落としたものをつないで分子の形に組み立てる[14]。
ORTEP図Bi2TeO5のORTEP図。

X線結晶構造解析の結果を表すために用いられる。原子核が一定以上の確率で存在する位置を表す熱振動楕円球を描き、楕円球を結合を表す棒でつないだもの。

ORTEPとは、Oak Ridge Thermal Ellipsoid Program（オークリッジ熱楕円体プログラム）の頭文字をとったもの。イギリスの結晶学者 D.W.J.Cruickshank（1924-2007年）（en:Durward William John Cruickshank）が1956年に考案した。en:Thermal ellipsoid
歴史
古代ギリシャ

古代ギリシャのデモクリトス(紀元前460年頃-370年ごろ)は、すべてのものはこれ以上分けられないもの＝アトモンなもの＝アトムと、アトムが動きまわる空間＝真空でできていると主張した。彼の原子モデルは「甘いものは丸っこい原子でできていて、辛いものはとげのある原子でできている」などと想像した[15]。
近代的原子論の始まりドルトンの原子・分子モデル図（1808年）。ドルトンが作った原子模型（1810年）

1808年にイギリスのジョン・ドルトン（1766-1844年）は『科学哲学の新体系』を出版し、その中にある丸い円で表した原子とそれらが結合した物質の図を載せた。ドルトンは1810年ごろに友人のエドワードに頼んで、直径1インチほどのたくさんの木製の球を作ってもらい、それを使って私塾で子どもたちに原子を教えるのに使った。この木製球はいくつかの穴が開いており、針金などを通してつなぐこともできた[16]。ドルトンはこの模型を使って自分の考えた原子でできた物質を教えたと考えられている[15]。ドルトンの原子模型はマンチェスター科学産業博物館（Museum of Science and Indutry）に展示されているものと、科学博物館グループ国立コレクションセンター（the Science Museum Group National Collections Centre）に保管されているものがあるが、それを見ると直径29mmと19mmの球で、短い金属棒でつなげられている[17]。
有機化合物研究の時代ホフマンの分子模型。これはメタンの模型。（1860年）

ドルトンの後、1800年代後半ごろから、科学者たちは炭素を含む物質に目を付けて分子の構造について研究し、様々な仮説が発表されるようになった。そしてその仮説を発表するときに分子模型が作られるようになった[18]。1865年にドイツのホフマン（Augst Wilhelm von Hofmann : 1818-1892年）[注 5]が、はじめて「球棒型分子模型」を作った[9]。

この模型では黒い玉が炭素で白文字でCと書かれ、その他の白い玉にはH、CL、Oなどと書かれている。この玉はクロッケーボール[注 6]で作られ、直径92mm、重さ450gの木製であり、かなり大きなものである。これは大英王認研修所（ロイヤル・インスティチューション）で1865年に一般向けの科学講演をする際に聴衆に見せるために作られた[20]。