Auch als cis-trans-Isomer bezeichnet, ist ein geometrisches Isomer eine Art von Stereoisomer, das zwei Zustände aufweist. Isomere sind Moleküle, die die gleiche Summenformel haben, sich aber in ihrer Molekülstruktur unterscheiden. Ein Stereoisomer ist ein Isomertyp, bei dem Atome in der gleichen Reihenfolge auftreten, aber dennoch strukturell unterschiedlich sind. Bei geometrischen Isomeren bilden Moleküle entweder eine Treppenform oder eine U-Form.
Geometrische Isomere, die üblicherweise in Molekülen mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen vorkommen, können in jeder Substanz vorkommen, die zwei Zentralatome mit einer Doppel- oder Dreifachbindung aufweist. Einfachbindungen, die von zwei Atomen erzeugt werden, die sich ein Elektron teilen, ermöglichen es Molekülen, sich um ihre Achse zu drehen, was als freie Rotation bezeichnet wird. Die freie Rotation ermöglicht unterschiedliche strukturelle Konfigurationen von Molekülen, obwohl die Atome auf genau die gleiche Weise gebunden sind. Moleküle mit einfach gebundenen Zentralatomen, die unterschiedliche Strukturen aufweisen, scheinen geometrische Isomere zu sein, sind aber in Wirklichkeit einfach dasselbe Molekül, das in seiner Bindung verdreht ist.
Doppelbindungen, die von zwei Atomen erzeugt werden, die sich zwei Elektronen teilen, erlauben keine freie Rotation. Da ihre Rotation eingeschränkt ist, können sich Moleküle mit Doppelbindungen nicht zu unterschiedlichen Formen verdrehen, so dass diejenigen, die eine andere strukturelle Anordnung zu haben scheinen, strukturell unterschiedliche Moleküle sind. Bei geometrischen Isomeren ist an jedes der Zentralatome ein Atom – oder häufiger eine Atomgruppe – gebunden. Dadurch entstehen zwei Arten von Strukturen.
Im ersten Fall ist die Atomgruppe für beide Atome an der gleichen Stelle mit dem Zentralatom verbunden, sodass jede Seite des Moleküls ein Spiegelbild der anderen ist. Dadurch entsteht das U-förmige Molekül oder das cis-Isomer. Bei der zweiten Struktur sind die Atomgruppen an gegenüberliegenden Stellen der Zentralmoleküle gebunden, wodurch eine Treppenstruktur entsteht.
Die einfachsten geometrischen Isomere sind beispielsweise But-2-en, Isomere des Gases Buten, das in Öl vorkommt. Buten, C4H8 hat vier Isomere, von denen zwei geometrische Isomere sind. Die Zentralatome in But-2-en sind beide Kohlenstoff, verbunden durch eine Doppelbindung. An jedes Kohlenstoffatom ist ein Wasserstoffatom und ein CH3-Molekül gebunden. In cis-But-2-en befinden sich die CH3-Moleküle auf der gleichen Seite jedes Kohlenstoffatoms und bilden eine U-Form. In trans-But-2-en befinden sich die CH3-Moleküle auf gegenüberliegenden Seiten und bilden eine Treppenform.
Geometrische Isomere verhalten sich unterschiedlich. Beispielsweise haben cis- und trans-But-2-en unterschiedliche Siede- und Schmelzpunkte. Die Temperatur, bei der das cis-Isomer siedet, beträgt 39.2 °F (4 °C) und seine Schmelztemperatur beträgt -218 °F (-139 °C), während das trans-Isomer bei 33.8 °F (1 °C) siedet und bei . schmilzt -157 °F (-105 °C).