Molekyylikaava on merkintä, jota käytetään kuvaamaan aineen koostumusta. Useimmat kaavat on kirjoitettu tavalla, joka antaa myös jonkin verran yksityiskohtia materiaalin sidosrakenteesta. Asiaan liittyvä merkintä sisältää empiirisiä kaavoja. Joitakin materiaaleja ei voida esittää tarkasti käyttämällä molekyylikaavoja.
Aine koostuu atomeista, pienin määrä massaa, joka säilyttää kemialliset ominaisuudet, kun se jaetaan. Atomit sitoutuvat eri tavoin muodostaen molekyylejä. Molekyylikaava edustaa yhden molekyylin alkuainekoostumusta.
Veden molekyylikaava on H2O. Numero kaksi tarkoittaa kahta vetyatomia molekyylissä. O esiintyy ilman numeroa, mikä tarkoittaa yhtä happiatomia. Tekstistä riippuen numerot voidaan kirjoittaa ilman alaindeksiä. Käsinkirjoitetuissa kaavoissa käytetään aina alaindeksiä.
Propaani on osa maakaasua. Tässä hiilivedyssä on kolme hiiltä, joiden lineaariset sidokset muodostavat suoran ketjun. Hiiliketjua ympäröi kahdeksan vetymolekyyliä. Molekyylikaava on C3H8. Jalostusprosessissa osa propaanista reagoi muodostaen syklopropaania. Syklopropaani on kolmion muotoinen molekyyli, jota ympäröi jälleen kuusi vetyatomia ja jonka molekyylikaava on C3H6.
Vetymolekyyli, H2, hävisi syklopropaanin tuotannossa. Muut reaktiot olivat mahdollisia, mukaan lukien vetymolekyylin menettäminen kahden kolmesta hiilestä. Propeenilla, jolla on kaksoissidos ensimmäisen ja toisen hiilen välillä, on myös molekyylikaava C3H6. Vaikka C3H8:n kaavan on oltava propaani, C3H6 ei ole riittävä tieto yhdisteen tunnistamiseen.
Empiirinen kaava kirjoitetaan molekyylin pienimmäksi toistuvaksi yksiköksi. Merkintä edellyttää, että kaavan alaindeksit ovat positiivisia kokonaislukuja. Glukoosin molekyylikaavat ja empiiriset kaavat ovat C6H12O6 ja CH2O. Tässä tapauksessa tarvitaan kuusi glukoosin empiiristä kaavaa molekyylin rakentamiseen. Empiirisiä kaavoja voidaan pitää pienimpänä yhteisenä nimittäjänä.
Molekyylikaavoja käytetään materiaalien molekyylipainojen laskemiseen, jotka puolestaan tarjoavat arvot tietyssä materiaalimassassa olevien molekyylien tai ionien lukumäärän määrittämiseksi. Näitä laskelmia tarvitaan reaktion tulosten arvioimiseksi tai tunnetun pitoisuuden omaavan liuoksen valmistamiseksi. Molekyylikaavat eivät ole tiheyden, massan tai olotilan suora mitta.
Makromolekyylejä, sekä luonnollisia että synteettisiä, on vaikea luonnehtia niiden molekyylikaavojen perusteella. Näillä pitkäketjuisilla molekyyleillä on usein haarapisteitä, joissa on omat pitkät ketjunsa. Tyypillisesti monomeeriä tai lähtökemikaalia, josta polymeeri on johdettu, käytetään pseudomolekyylikaavana. Polyeteeni valmistetaan poistamalla vetymolekyyli etaanista muodostamaan etaania, joka sitten polymeroituu. Sen toistuva yksikkö (CH2)n, n edustaa tuntematonta mutta suurta lukua.