분자

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다른 표기 언어 molecule , 分子

요약 고유한 특성을 가지고 하나의 단위로 작용할 수 있는 원자들의 결합체.

목차

접기
  1. 일반적 특징
  2. 분자구조
  3. 분자량
  4. 이성질
분자
분자

분자는 일정한 질량·구조·원자조성을 가진다. 원자는 분자를 이루는 기본단위이며, 분자는 순수한 화합물에서 그 특징적인 조성과 화학적 성질을 유지시키는 가장 작은 입자이다. 분자는 수나 종류의 변화 없이 물리적 변화를 할 수도 있으나(예를 들어 물이 고체·액체·기체로 상태변화함) 화학반응을 통해 변형될 수도 있다.

분자의 총괄적인 화학작용은 분자를 이루는 원자들과 그들 사이의 화학결합의 특성에 의해 결정된다. 전자가 둘 이상의 원자핵의 인력을 동시에 받아 생기는 결합은 원자핵간 거리를 가깝게 한다. 결합이 생기거나 끊어지는 모든 화학반응은 원자의 전자구조상 변화로 설명될 수 있다.

일반적 특징

원자는 몇 종류의 단순입자들이 어떤 규정된 방식으로 조합되어 생성된다.

사실상 원자의 모든 질량은 원자핵에 집중되어 있으며, 원자핵은 양전하를 띠고 있는 양성자와 전기적으로 중성인 중성자로 구성되어 있다. 이 원자핵 주위를 전자구름이 둘러싸고 있는데 전자는 질량이 매우 작으며 음전하를 띠고 있다. 가벼운 원소들(양성자의 수와 전자의 수가 적은 것들)의 행동에 관한 연구로부터, 전자는 원자핵으로부터 다양한 거리만큼 떨어져 있는 껍질 위를 돌고 있는 것을 알 수 있다. 전자는 궤도함수라는 공간상의 영역을 차지하는데 이 궤도함수들은 모양·방향·원자핵으로부터 평균거리 등이 서로 다르다.

하나의 궤도함수는 2개의 전자를 수용할 수 있으며, 원자핵으로부터 먼 거리에 있는 껍질일수록 더 많은 궤도함수를 포함한다. 원자 내의 전자는 원자핵과 모든 전자들 사이의 인력, 각각의 전자와 나머지 전자들 사이의 척력간의 균형을 맞출 수 있도록 궤도함수 내에 분포되어 있다. 어떤 원자에서든 가장 바깥쪽의 껍질을 차지하는 전자(최외각전자)는 원자핵에 가장 약하게 결합되어 있기 때문에 다른 원자가 가까이 오면 영향을 받게 된다.

다시 말해 이 최외각전자(원자가전자)들이 화학반응과의 결합형성에 관여한다.

원자들이 어떤 특정 배열을 갖게 되면 다른 원자보다 더 안정해진다. 전자를 얻거나, 전자를 잃거나, 또는 인접한 원자와 전자를 공유하는 등 어떤 식으로든 원자의 최외각 껍질이 가질 수 있는 최대 전자를 가지게 될 때 원자는 가장 안정해진다. 예를 들어 원자번호 2인 헬륨 원자는 2개의 전자를 가지고 있다.

헬륨 원자는 화합물을 형성하지 않기 때문에 이런 배열은 분명히 매우 안정할 것이다. 하지만 원자번호 3인 리튬 원자는 3개의 전자를 가지고 있으므로 쉽게 전자를 하나 잃고 양전하를 띤 안정된 단위를 형성한다. 알려진 원소들을 원자번호(원자핵의 양성자 수) 순으로 나열하면 그 물리적·화학적 성질들이 주기성을 띤다. 즉 나열된 원자들 성질의 유사성이 규칙적인 간격을 두고 나타나게 된다.

원소들을 주기별로 아래로 한칸씩 수평으로 놓으면 동일 열상의 원소들은 유사한 성질을 가질 것이다. 이는 원자가 커지고 무거워지면서 내부구조의 유사성이 재현되기 때문이다. 전자는 껍질 속에 배열되며, 각 껍질이 최대로 수용할 수 있는 전자의 수는 정해져 있다. 최외각전자를 얻거나 잃는(총에너지의 변화가 생김) 성향이 이온 결합의 기본이다.

금속과 같은 원소들은 쉽게 전자를 잃고 양전하를 띠게 되며, 여기서 생기게 되는 입자는 원자라기보다는 이온이며 양성자의 수보다 전자의 수가 더 적다.

비금속 원소들은 전자친화력이 강해서 전자를 받아들여 음전하를 띠게 되며, 이때 생기는 이온은 양성자의 수보다 더 많은 전자를 가진다. 반대전하를 띤 이온들은 서로 끌어당기게 되며, 각 이온이 주어진 격자상에서 고정된 위치를 차지하는 결정성 화합물을 형성한다. 이런 구조에서 존재하는 이온 결합은 특정 이온쌍을 연결해주는 것이 아니라 모든 방향으로 똑같이 작용한다.

이런 화합물들의 조성은 각 이온들의 비를 나타내는 화학식으로 표현된다. 예를 들어 염화나트륨(식염)은 같은 수의 나트륨 이온(원소기호에 전하를 위첨자로 써서 Na로 나타냄)과 염소 이온(Cl)으로 이루어져 있으며, 화학식은 NaCl이다.

여러 개의 전자를 얻거나 잃어야만 이온으로 바뀔 수 있는 원자들은 종종 공유결합으로 화합물을 형성한다.

완전히 전자를 얻거나 잃는 대신 두 원자가 서로 가까운 위치에 놓여 공유된 전자에 의해 안정하게 결합된 형태로 연결된다. 각 원자는 하나, 둘 또는 세 개의 전자를 제공하여 단일, 이중 또는 삼중결합을 형성한다. 이렇게 결합된 것을 분자라고 한다. 공유결합을 한 화합물의 화학식은 이온 화합물의 경우처럼 그 속에 존재하는 원소들의 비를 나타내는 것이 아니라, 분자 내에 존재하는 다양한 원소들의 원자수를 정확히 표시한다.

예를 들어 탄소(C) 원자 2개와 수소(H) 원자 4개를 포함하고 있는 에틸렌 분자는 C2H4로 표시한다. 공유화합물에는 이온이 포함되지 않으며, 같은 수의 동일한 원자들로 이루어진 유사한 공유화합물(예를 들어 메틸아세틸렌과 알렌은 둘 다 C3H4의 분자식을 가짐)일지라도 물리적·화학적 성질이 다를 수 있다. 조성은 같으나 성질이 다른 화합물을 이성질체라고 하며, 이는 원자배열이 서로 다르기 때문이다.

가장 중요한 화학결합 형태가 이온 결합과 공유결합이지만 몇몇 분자들에서는 수소결합, 금속결합, 결정 내에서의 결합 등 다른 중요한 결합 형태도 볼 수 있다.

분자 내의 수소원자가 여분의 약한 양전하를 띠고 있고, 다른 분자 내의 원자가 약한 음전하를 띠거나 고립전자쌍을 가지고 있을 때 수소결합이 생긴다. 수소결합은 물분자의 수소원자가 다른 물분자의 산소원자 쪽으로 배향되어 있는 형태로 두 물분자가 결합되어 있는 것에서 볼 수 있듯이 분자간 결합일 수도 있고, 1-클로로페놀에서 히드록시기의 수소가 인접한 염소원자의 고립전자쌍의 인력을 받는 것처럼 분자내 결합일 수도 있다.

수소결합으로 인해 액체의 경우 점성이 커지거나 끓는점이 높아지게 되며, 단백질 같은 유기분자들을 비롯하여 얼음이나 옥살산 등의 결정구조에서도 수소결합은 중요한 역할을 하기도 한다. 금속이나 합금에서의 결합은 또 다른 형태의 핵간결합으로서, 이 경우에는 원자가전자들이 상당히 비편재화되어 있다. 고체금속에서 나열되어 있는 원자들의 궤도함수의 중첩에 의해 에너지 준위의 띠가 생기게 되며, 이 띠를 이루는 궤도함수들은 부분적으로만 채워진다. 전기전도성 같은 금속의 성질은 이러한 원리를 통해 올바로 이해되어왔다.

고체와 액체에서 전기적으로 중성인 원자나 분자라도 인접한 원자들 사이에는 반데르발스 힘이라고 하는 순간적인 편극력이 유도된다. 이 힘에 의해 공유화합물의 결정에 응집력이 생기게 되며, 분자 내에서 결합을 하고 있지 않은 원자들 사이의 상호작용에도 이 힘이 중요한 역할을 한다. 하지만 반데르발스 힘은 일반적으로 화학결합으로 인식되는 결합은 만들지 않는다.

모든 물질이 뚜렷한 분자단위로 되어 있는 것은 아니다.

예를 들어 염화나트륨은 나트륨 이온과 염소 이온이 격자구조 내에서 배열되어 있는데, 각 나트륨 이온은 같은 거리에 있는 6개의 염소 이온으로 둘러싸여 있고, 각 염소 이온은 같은 거리에 있는 6개의 나트륨 이온으로 둘러싸여 있다. 나트륨 이온과 그에 인접한 염소 이온 사이에 작용하는 힘은 모두 똑같기 때문에 염화나트륨 분자로 구분될 수 있는 특정 집합체는 존재하지 않는다. 결과적으로 염화나트륨이나 이와 비슷한 형태를 갖는 모든 고체(일반적으로 모든 염)에서 분자라는 개념은 의미가 없게 된다.

따라서 이런 화합물들에서 화학식은 예를 들어 NaCl이라고 하는 것처럼 원자들의 가장 간단한 비로 나타낸다.

분자구조

특정 분자를 이루는 원자들의 공간상에서의 분포를 분자구조라고 한다.

분자의 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(N2산소(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.

분자량

분자량
분자량

분자량은 화합물의 기본성질 중 하나이다. 예를 들어 같은 온도와 압력하에서 부피가 같은 두 기체의 무게를 재면 그 무게비는 각 기체 한 분자의 질량비와 같다. 물질의 분자량은 6.022×1023개의 분자(물질의 1몰은 순수한 탄소 동위원소인 12C 12g 속에 들어 있는 탄소원자의 수와 같은 수인 6.022×1023개, 즉 아보가드로 수만큼의 분자를 포함하고 있는 것으로 간주함)의 무게를 g으로 나타낸 것으로 정의되며, g/mol 또는 돌턴으로 나타낸다.

이성질

화학결합의 법칙으로부터 때때로 주어진 원자들이 1가지 이상의 방법으로 결합할 수도 있다는 것을 알 수 있으며, 실제로 조성은 같으나 원자배열이 다른 물질이 둘 이상 존재할 수도 있다.

이러한 물질들을 이성질체라고 하며, 이러한 현상을 이성질이라고 한다. 물질의 화학적 성질은 원자의 수나 종류뿐만 아니라 원자 배열과도 관련되어 있기 때문에 이성질현상은 중요하다. 이성질 물질들은 물리적·화학적·생물학적 성질이 서로 달라서 때로는 동일한 분자에서 미묘한 구조적 차이나 배열의 차이로 인해 그 물질이 독성이 있거나 해가 없기도 하고, 폭발성이 있거나 비활성이 되기도 하며, 약물로 사용하기에 효과적이거나 약효가 없을 때도 있다. 편의상 이성질은 구조이성질과 입체이성질의 2가지로 구분된다. 구조이성질체는 원자가 연결된 순서가 다르다. 입체이성질체는 원자가 연결된 순서는 같으나 원자들의 공간상의 위치가 다르다. 반응속도 및 어떤 주어진 반응이 일어날지 아닐지의 여부는 종종 이 공간적·입체적 요인에 의해 결정된다.

분자 내에서 원자의 배열 또는 결합차수는 아무렇게나 되는 것이 아니라 화학결합의 법칙에 의해 결정된다. 예를 들어 중성분자에서 탄소원자에는 다른 원자가 4개 이상 결합될 수 없다. 분자식이 C2H6O인 물질은 단지 2개의 이성질체가 존재하는데 이는 결합이론과 일치한다. 에틸알코올(에탄올)이라고 하는 1가지 이성질체는 끓는점이 78.5℃인 액체이고, 디메틸에테르라고 하는 다른 이성질체는 상온에서 기체이며 끓는점이 -23℃이다. 이 두 이성질체의 끓는점의 현저한 차이로부터 조성뿐만 아니라 분자구조도 물질의 성질을 결정하는 데 중요하다는 것을 알 수 있다.

어떤 물질이 어떤 구조를 가지고 있는가를 정하는 것은 각각의 화학반응을 연구함으로써 알 수 있다.

구조이성질체는 먼저 작용기에 따른 분류(위의 경우 하나는 알코올이고 하나는 에테르임)를 할 수 있다. 또한 같은 화합물류에 속하더라도 탄화수소사슬에 붙어 있는 작용기의 위치가 다른 것(예를 들어 프로필알코올 C3H7OH)의 경우 분자식과 작용기가 같으나 OH 기가 붙은 위치가 다른 2개의 이성질체가 있음), 또는 한 물질이 2가지 이상의 형태로 존재하면서 각 이성질구조에 해당되는 화학적 성질을 가지는 호변이성질 등으로 분류될 수 있다.

호변이성질체의 형태는 서로 분리할 수 없다.

입체이성질체는 보통 기하이성질체(시스와 트랜스)와 광학이성질체로 나눈다. 물론 기하이성질체는 광학이성질체일 수도 아닐 수도 있다. 광학이성질체는 오른손바닥과 왼손바닥처럼 서로 포갤 수 없는 거울상을 지니는 쌍으로 나타난다.

이 명칭은 광학이성질체를 통과하는 편광된 빛의 편광면을 회전시키는 효과 때문에 붙여졌는데, 이 경우 각각의 광학이성질체는 서로 반대되는 방향으로 편광면을 회전시킨다. 이 현상을 광학활성이라 하며, 이는 분자의 3차원적 구조상의 불균형에 의해 분자가 어떤 대칭점·대칭선·대칭면을 갖지 않을 때 생긴다. 이 광학이성질체를 구별할 수 있는 방법은 광학활성 뿐이다. 기하이성질은 고정된 분자구조로 인해 나타나며, 유기화합물에서 이 고정성은 보통 이중결합이나 원자의 고리 모양 결합과 관련되어 있다.

2개의 탄소원자가 이중결합에 의해 결합되어 있는 대부분의 화합물에서 각 탄소원자는 다른 2개의 원자 또는 원자단과 단일결합에 의해 결합되어 있다. 이 때 이들 원자(또는 원자단)들이 서로 다른 경우, 예를 들어 이들을 A와 B라고 할 때 두 탄소원자가 거기에 결합되어 있는 4개의 원자(2개의 A와 2개의 B)는 이중결합에 의해 평면구조를 갖게 된다. 따라서 서로 다른 2가지의 배열이 가능해지는데, 두 A 원자가 이중결합의 같은 방향에 붙어 있는 경우를 시스라고 하며, 두 A 원자가 서로 반대편에 있는 것을 트랜스라고 한다.

시스와 트랜스 기하이성질체에서는 물리적·화학적 성질이 모두 다르다.

탄소-탄소 이중결합의 회전은 단일결합의 회전보다 상당히 많은 에너지를 필요로 한다. 결과적으로 a와 b가 서로 다를 때 abC=Cab 형태의 화합물은 입체이성질체로 존재한다. 보통은 이들 원자가 한 평면 위에 있기 때문에 이 평면이 대칭면이 되며, 이런 형태의 화합물은 보통 광학활성이 없게 된다.

만약 분자 내에 2개 이상의 탄소-탄소 이중결합이 있다면 가능한 이성질체의 수는 증가할 것이다. 카로틴 같은 여러 생물학적 물질들은 여러 개의 탄소-탄소 이중결합을 포함하고 있으며, 이 경우 이들의 생화학적 작용을 결정하는데는 분자의 기하학적 구조가 중요한 역할을 한다.

일반적으로 분자의 총괄적인 화학작용은 화학결합의 특성과 결합에 참여하는 원자들에 의해 결정된다.

좀더 복잡한 계에서는 특정 부분이 어디에 위치하느냐에 따라 미세한 변화가 생길 수도 있다. 반응속도 및 어떤 반응이 조금이라도 일어나는가의 여부는 종종 이 공간적·입체적 요인에 의해 좌우된다. 한편 생체 내에서의 화학반응도 거의 모두가 세부적인 분자구조에 의해 조절된다. 이는 생체가 특정 이성질체만 필요로 하는 것에서 명백한데, 예를 들어 음식물 중의 우회전성 아미노산은 소화되지 않지만 좌회전성 아미노산은 소화된다. 생물에서의 화학반응은 때때로 매우 복잡한 분자집합체가 공간에 조합되는 방식에 의해 좌우된다.

디옥시리보핵산(DNA)의 이중나선구조는 두 가닥이 수소결합을 통해 상보적으로 결합되어 원통 형태를 이루고 있는 분자결합체로서 두 가닥의 염기결합 서열은 상보적이어야 하며, 이 염기결합 서열은 새로운 가닥의 복제에 이용된다.