Un orbital molecular es esencialmente el camino que toma un electrón alrededor de una molécula. Esto es muy similar a un orbital atómico, excepto que un orbital molecular es un camino que tiene en cuenta el campo de más de un núcleo. Hay dos tipos de orbitales moleculares, uno de enlace y otro de anti-enlace. Esto se decide básicamente por si los electrones en órbita se mueven alrededor de los núcleos en fase o fuera de fase. Los orbitales moleculares son básicamente orbitales atómicos superpuestos, y el grado en que van juntos determina si los átomos se unirán o no.
Antes de poder comprender los orbitales, es importante conocer la estructura de un átomo. Los protones y neutrones ocupan el núcleo del átomo, que es un contenedor muy condensado que se encuentra en el centro de un átomo. Los electrones zumban alrededor del exterior del núcleo, esencialmente de la misma manera que los planetas orbitan alrededor del sol. Una descripción simplista de cómo los electrones orbitan un núcleo divide los electrones en «capas», que son básicamente círculos grandes que rodean el núcleo y que pueden contener una cantidad determinada de electrones. Al igual que con las órbitas planetarias, los orbitales de electrones no toman la forma de círculos perfectos.
No todos los electrones giran alrededor de un átomo en círculos ordenados. En cambio, a menudo tienen órbitas más inusuales, y la órbita específica que tienen se describe en la teoría del orbital atómico. El orbital «s» es el más simple, y este es esencialmente un orbital esférico. También hay orbitales en forma de mancuerna, llamados orbitales «p», que vienen en tres alineaciones diferentes. La interacción entre los dos orbitales atómicos determina el tipo de orbital molecular.
Cuando dos átomos se unen, los electrones todavía están tratando de seguir su patrón orbital establecido, y sus posiciones determinan el tipo de orbital molecular. El primer tipo de orbital molecular se produce cuando los electrones orbitan ambos núcleos en fase y se superponen en algún punto. Esto crea un orbital de «unión», porque la superposición de los electrones intensifica la carga negativa y reduce la energía potencial de la molécula. Por lo tanto, se requeriría energía para dividirlos en sus átomos separados, y los átomos permanecerían juntos.
El otro tipo de orbital molecular es cuando los electrones orbitan fuera de fase. Esto disminuye la carga negativa que crean, lo que a su vez aumenta la energía potencial total almacenada en la molécula. A los electrones les gusta una energía de bajo potencial, por lo que es más probable que se separen que orbitar fuera de fase. La baja energía potencial de una órbita fuera de fase, entonces, significa que los átomos se dividen y el enlace no se forma.