分子结构，或称分子平面结构、分子形状、分子几何，建立在光谱学数据之上，用以描述分子中原子的三维排列方式。分子结构在很大程度上影响了化学物质的反应性、极性、相态、颜色、磁性和生物活性。 分子结构涉及原子在空间中的位置，与键结的化学键种类有关，包括键长、键角以及相邻三个键之间的二面角。

中文名：分子结构

外文名：Molecular Structure

别名：分子立体结构、分子形状

领域：化学

应用：描述分子中原子的三维排列方式

测定

分子结构

空间关系

分子结构涉及原子在空间中的位置，与键结的化学键种类有关，包括键长、键角以及相邻三个键之间的二面角。

原子在分子中的成键情形与空间排列。分子结构对物质的物理与化学性质有决定性的关系。最简单的分子是氢分子，1克氢含1023个以上的氢分子。水分子中2个氢原子都连接到一个中心氧原子上，所成键角是104.5°。分子中原子的空间关系不是固定的，除了分子本身在气体和液体中的平动外，分子结构中的各部分也都处于连续的运动中。因此分子结构与温度有关。分子所处的状态（固态、液态、气态、溶解在溶液中或吸附在表面上）不同，分子的精确尺寸也不同。

因尚无真正适用的分子结构理论，复杂分子的细致结构不能预言，只能从实验测得。量子力学认为，原子中的轨道电子具有波动性，用数学方法处理电子驻波（原子轨道）就能确定原子间或原子团间键的形成方式。原子中的电子轨道在空间重叠愈多，形成的键愈稳定。量子力学方法是建立在实验数据和近似的数学运算（由高速电子计算机进行运算）相结合的基础上的，对简单的体系才是精确的，例如对水分子形状的预言。另一种理论是把分子看成一个静电平衡体系：电子和原子核的引力倾向于最大，电子间的斥力倾向于最小，各原子核和相邻原子中电子的引力也是很重要的。为了使负电中心的斥力减至最小，体系尽可能对称的排列，所以当体系有2个电子对时，它们呈线型排列（180°）；有3个电子对时呈三角平面排列，键角120°。

波尔兹曼分布可以量度温度对分子振动的影响：exp(-ΔE/kT)，其中ΔE是振动模式的激发能，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度。在298K（25 °C）下，典型的波尔兹曼因子值为：ΔE= 500 cm-1 --＞0.089；ΔE = 1000 cm-1 ——＞0.008；ΔE = 1500 cm-1 ——＞7 * 10-4。即，如果激发能为500 cm-1，那么大约9%的分子在室温时会处于热激发态。对水分子而言，其弯曲模式具有最低的激发能，大约为1600 cm-1，因此室温下水分子中振动速度比绝对零度时快的分子占不到0.07%。

虽然转动很难影响分子结构，但作为一个量子力学运动，相对振动而言它在低温下热激发程度较高。从经典力学角度来看即是，更多分子在高温下转动更快（它们具有更大的角速度和角动量）；而从量子力学角度看则是，随温度升高，更多角动量较大的本征态开始聚集。典型的转动激发能数量级在几cm-1。

由于涉及转动态，很多光谱学的实验数据都被扩大了。而转动运动随温度升高而变得激烈，因此，低温下的分子结构数据往往更加可靠，而从高温下的光谱很难得出分子结构。

电子的量子力学性质决定分子结构，因此可通过价键理论近似来理解化学键类型对结构的影响。杂化轨道理论认为，先有原子轨道间的杂化，才有化学键的生成。至于化学键，其中两种最常见的为σ键和π键，而含离域电子的结构可借助分子轨道理论来理解。

研究原子和分子中电子的类波行为隶属于量子化学的范畴。

纯净物只由异构体中的一种构成，因此所有分子结构相同。

构造异构体中原子排列顺序不同，性质也常有不同，例如正丙醇和异丙醇。

官能团异构体是由于含有不同官能团而导致异构的异构体，例如醚和醇。

立体异构体物理性质可能类似（例如熔点和沸点），但生化活性一般不同。这是由于它们具有手性，必须要有特定的立体结构才可以与其他底物结合。一对立体异构体可使平面偏振光偏转相同的角度，但是在相反方向上。

蛋白质折叠关系到高分子蛋白质的构象取向问题。

直线型：AB2型所有原子处在一条直线上，键角为180°，例如二氧化碳O=C=O。

平面三角形：所有原子处在一个平面上，三个周边原子均匀分布在中心原子周围，键角120°，例如三氟化硼BF3。

四面体：四个周边原子处在四面体的四个顶点，中心原子位于四面体中心。理想键角109°28'，例如甲烷CH4。

八面体：六个周边原子处在八面体的六个顶点，中心原子位于四面体中心。理想键角90°，例如六氟化硫SF6。

三角锥形：四面体型的一条键被孤对电子占据，剩下三条键的形状即是三角锥型。由于孤对电子体积较大，三角锥形的键角较四面体形的键角要小。例如氨NH3，键角107.312°循环。

四方锥形：八面体型的一条键被孤对电子占据，剩下五条键的形状即是四方锥型，例如五氟化溴BrF5。

角形：与直线型相对，两条键的三个原子不在一条直线上。例如水H2O，键角104.5°。