Molekul diatomik adalah molekul yang hanya terdiri dari dua atom. Kedua atom tersebut dapat berupa unsur kimia yang sama maupun berbeda. Awalan di- pada kata diatomik berasal dari bahasa Yunani yang artinya dua.

Dalam buku Huber dan Herzberg, Molecular Spectra and Molecular Structure IV. Constants of Diatomic Molecules,^[1] terdapat sekitar ratusan molekul diatomik yang terdaftar. Beberapa di antaranya terdeteksi secara spektroskopis pada ruang antarbintang. Namun, hanya beberapa molekul diatomik yang ditemukan secara alami di Bumi. Sekitar 99% atmosfer bumi terdiri dari molekul diatomik, utamanya oksigen O₂ (21%) dan nitrogen N₂ (78%), sedangkan sisa 1%-nya terdiri dari argon (0.9340%) dan gas lainnya. Kelimpahan alami hidrogen (H₂) pada atmosfer bumi hanyalah dalam kadar bagian per juta (ppm). Walaupun demikian, hidrogen adalah molekul yang paling melimpah dalam alam semesta. Ia utamanya ditemukan sebagai materi penyusun bintang.

Unsur-unsur yang ditemukan dalam bentuk molekul diatomik pada kondisi laboratorium 1 bar dan 25 ^oC meliputi hidrogen (H₂), nitrogen (N₂), oksigen (O₂), dan halogen: fluorin (F₂), klorin (Cl₂), bromin (Br₂), yodium (I₂), dan astatin (At₂).^[2] Perlu diperhatikan pula bahwa terdapat pula molekul diatomik lainnya yang dapat terbentuk, misalnya logam yang dipanaskan sampai menjadi gas. Selain itu, banyak molekul diatomik tidak stabil dan sangat reaktif, contohnya difosfor. Molekul diatomik yang terdiri dari dua atom yang berbeda contohnya adalah CO dan HCl.

Jika suatu molekul diatomik terdiri dari dua unsur yang sama, misalnya H₂ dan O₂, ia disebut sebagai homonuklir, sedangkan yang terdiri dari dua unsur yang berbeda disebut sebagai heteronuklir. Ikatan pada molekul diatomik homonuklir bersifat kovalen dan non-polar.

Geometri molekul molekul diatomik adalah linear.^[3] Ia merupakan susunan geometri molekul yang paling sederhana.

Senyawa-senyawa diatomik memainkan peran yang penting dalam menguraikan konsep unsur, atom, dan molekul pada abad ke-19 karena beberapa unsur-unsur penting seperti hidrogen, oksigen, dan nitrogen, secara alami berada dalam keadaan diatomik. Pada awalnya, John Dalton berasumsi bahwa semua unsur secara alami berada dalam keadaan monoatomik dan atom-atom pada suatu senyawa akan memiliki rasio atom yang sama. Sebagai contoh, Dalton berasumsi bahwa rumus molekul air adalah HO dengan berat atom oksigen 8 kali dari atom hidrogen (sebenarnya 16 kali atom hidrogen). Oleh karena asumsi tersebut terdapat kemelutan penentuan berat atom dan rumus molekul selama setengah abad.

Pada tahun 1805, Gay-Lussac dan von Humboldt menunjukkan bahwa air terbentuk dari dua volume air dan satu volume oksigen, dan pada tahun 1811, Amedeo Avogadro akhirnya berhasil menentukan komposisi molekul air yang benar. Hal ini didasarkan pada hukum Avogadro dan asumsi bahwa gas hidrogen dan oksigen berupa molekul diatomik. Walaupun demikian, hasil kerja ini terus diabaikan sampai dengan tahun 1860. Alasan penolakan ini dikarenakan oleh kepercayaan saat itu bahwa atom yang berunsur sama tidak akan memiliki afinitas kimia terhadap satu sama lainnya. Selain itu, juga disebabkan oleh beberapa kejanggalan hukum Avogadro yang tidak dapat dijelaskan pada saat itu.

Pada Kongres Karlsruhe pada tahun 1860 yang membahas tentang berat atom, Cannizzaro mengungkit kembali pemikiran Avogadro dan menggunakannya utuk membuatu tabel berat atom yang konsisten. Kebanyakan data dalam tabel tersebut sesuai dengan nilai modern sekarang. Data berat atom ini sangat penting dalam penemuan tabel periodik oleh Dmitri Mendeleev dan Lothar Meyer.^[4]

Secara umum, molekul diatomik dapat digambarkan sebagai dua titik massa yang dihubungkan oleh pegas tak bermassa. Energi yang terlibat pada berbagai gerak molekul dapat dibagi menjadi tiga kategori:

• Energi translasi
• Energi rotasi
• Energi vibrasi

Energi translasi molekul diekspresikan sebagai energi kinetik molekul tersebut:

${\displaystyle E_{trans}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$

dengan m adalah massa molekul dan v adalah kecepatan molekul.

Menurut hukum fisika, energi kinetik rotasi adalah

${\displaystyle E_{rot}={\frac {L^{2}}{2I}}\,}$

dengan

${\displaystyle L\,}$ adalah momentum sudut

${\displaystyle I\,}$ is the momen inersia molekul

Pada tingkat mikroskopis (atomik) seperti molekul, momentum sudutnya hanya dapat dieskpresikan sebagai nilai-nilai diskret tertentu:

${\displaystyle L^{2}=l(l+1)\hbar ^{2}\,}$

dengan l adalah bilangan bulat positif dan ${\displaystyle \hbar }$ adalah tetapan tereduksi Planck.

Selain itu, momen inersianya adalah

${\displaystyle I=\mu r_{0}^{2}\,}$

dengan

${\displaystyle \mu \,}$ adalah massa tereduksi molekul tersebut dan

${\displaystyle r_{0}\,}$ adalah jarak rata-rata antara dua atom pada suatu molekul.

Dengan mensubstitusi momentum sudut dan momen inersia ke E_rot, aras energi rotasi molekul diatomik adalah:

${\displaystyle E_{rot}={\frac {l(l+1)\hbar ^{2}}{2\mu r_{0}^{2}}}\ \ \ \ \ l=0,1,2,...\,}$

Selain bertranslasi dan berotasi, molekul diatomik juga dapar bergetar (vibrasi). Energi vibrasi molekul ini dapat dianggap hampir mirip dengan osilator harmonik kuantum:

${\displaystyle E_{vib}=\left(n+{\frac {1}{2}}\right)hf\ \ \ \ \ n=0,1,2,...\,}$

dengan

n adalah bilangan bulat

h adalah tetapan Planck dan

f adalah frekuensi getaran.

Aras energi rotasi terendah molekul diatomil terdapat pada ${\displaystyle l=0}$ dan memberikan nilai E_rot = 0. For O₂, aras kuantum berikutnya (${\displaystyle l=1}$) memiliki energi sekitar:

${\displaystyle E_{rot,1}\,}$	${\displaystyle ={\frac {\hbar ^{2}}{2m_{O_{2}}r_{0}^{2}}}\,}$
	${\displaystyle \approx {\frac {\left(1.05\times 10^{-34}\ \mathrm {J\cdot s} \right)^{2}}{2\left(27\times 10^{-27}\ \mathrm {kg} \right)\left(10^{-10}\ \mathrm {m} \right)^{2}}}\,}$
	${\displaystyle \approx 2\times 10^{-23}\ \mathrm {J} .\,}$

Jarak antara dua aras energi rotasi terendah O₂ sebanding dengan energi foton pada daerah spektrum elektromagnetik gelombang mikro.

Aras energi virbasi terendah terdapat pada ${\displaystyle n=0}$, dan frekuensi getaran pada umumnya adalah 5 x 10¹³ Hz. Dengan menggunakan perhitungan yang sama:

${\displaystyle E_{vib,0}\approx 3\times 10^{-21}\ \mathrm {J} .\,}$

Dapat terlihat bahwa jarak energi antara energi vibrasi adalah sekitar 100 kali lebih besar daripada jarak aras energi rotasi.

• Huber, K. P. and Herzberg, G. (1979). Molecular Spectra and Molecular Structure IV. Constants of Diatomic Molecules. New York: Van Nostrand: Reinhold. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
• Tipler, Paul (1998). Physics For Scientists and Engineers : Vol. 1 (4th ed.). W. H. Freeman. ISBN 1-57259-491-8. 

• Metode AXE
• Unsur oktatomik

• Hyperphysics - Rotational Spectra of Rigid Rotor Molecules
• Hyperphysics - Quantum Harmonic Oscillator
• 3D Chem - Chemistry, Structures, and 3D Molecules
• IUMSC - Indiana University Molecular Structure Center