Los isómeros son compuestos químicos que tienen las mismas fórmulas moleculares, lo que significa que están compuestos por el mismo número de los mismos tipos de átomos, pero tienen diferentes estructuras o arreglos en el espacio. Por ejemplo, el pentano es un compuesto orgánico compuesto por cinco átomos de carbono y 12 átomos de hidrógeno. Dos isómeros de pentano incluyen pentano no ramificado, en el que los carbonos están dispuestos en una cadena lineal, e isopentano o metilbutano, en los que cuatro carbonos están dispuestos en una cadena lineal mientras que el quinto se ramifica a partir de uno de los átomos de carbono interiores. Ambos tienen las mismas fórmulas moleculares, pero la disposición real de sus átomos es diferente. Los isómeros son importantes porque los compuestos con diferentes estructuras, incluso si contienen los mismos átomos, pueden tener propiedades químicas drásticamente diferentes.
Los compuestos con las mismas fórmulas moleculares pueden diferir estructuralmente de dos formas. Primero, los isómeros estructurales difieren en las disposiciones estructurales reales de los átomos. Los grupos funcionales que componen los compuestos se unen de diferentes formas y en diferentes disposiciones. Los estereoisómeros, por otro lado, están dispuestos de la misma manera en términos de la posición de los grupos funcionales, pero difieren en sus posiciones relativas en el espacio. Dos moléculas pueden, por ejemplo, tener los mismos átomos y la misma estructura, pero también pueden ser imágenes especulares no superpuestas entre sí y, por lo tanto, serían isómeros.
Los isómeros son muy importantes porque diferentes compuestos, incluso si tienen las mismas fórmulas moleculares, pueden tener diferentes propiedades químicas. Esto es incluso cierto para los estereoisómeros, que son, superficialmente, casi idénticos. Un compuesto puede, por ejemplo, ser un ingrediente activo importante en un fármaco, mientras que su isómero de imagen especular que no se superpone puede ser completamente ineficaz o incluso dañino. Los compuestos con diferentes disposiciones a menudo reaccionan de formas drásticamente diferentes con otros átomos y compuestos. Pueden diferir en las sustancias químicas con las que reaccionan o en la velocidad a la que reaccionan con varias sustancias químicas.
Muchas reacciones químicas producen una mezcla de diferentes isómeros, esto es particularmente cierto en el caso de los estereoisómeros, por lo que los químicos a menudo deben usar varios métodos para aislar el isómero particular en el que están interesados. Se pueden utilizar muchos métodos diferentes basados en diversas propiedades químicas para separar isómeros. Algunos compuestos con fórmulas moleculares idénticas pueden, por ejemplo, hervir a diferentes temperaturas, por lo que se puede utilizar la destilación para separarlos. Otros reaccionan con diferentes compuestos, por lo que se pueden usar reacciones químicas para eliminar un isómero sin alterar el compuesto de interés.