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过氧化氢是化学式为H₂O₂的化合物，分子中包含两个氢原子和两个氧原子。与水分子不同的是，过氧化氢分子中存在一个关键的氧氧单键，这个O-O键是过氧化氢独特性质的根源。分子呈现非线性结构，氢原子分别连接在两个氧原子上。
从电子结构角度分析，氧原子具有六个价电子，电子构型为1s²2s²2p⁴，而氢原子只有一个价电子。在过氧化氢分子中，每个氧原子与一个氢原子共用一对电子形成O-H共价键，两个氧原子之间也共用一对电子形成O-O单键。每个氧原子还有两对孤对电子，这些孤对电子对分子的几何构型有重要影响。
分子轨道理论从量子力学角度解释化学键的形成。氧原子的2p轨道相互重叠，形成分子轨道。轨道重叠产生成键轨道和反键轨道，成键轨道能量较低，电子优先占据。O-O键是由两个氧原子的2p轨道头碰头重叠形成的σ键，但由于轨道重叠程度有限，这个键相对较弱，容易在化学反应中断裂，这也解释了过氧化氢的不稳定性。
根据VSEPR理论，过氧化氢分子的几何构型可以通过分析氧原子周围的电子对来预测。每个氧原子周围有四个电子对，包括两个成键电子对和两个孤对电子。由于孤对电子的排斥作用比成键电子对更强，分子不能保持平面结构。实际上，过氧化氢分子呈现扭转构型，两个氢原子不在同一平面上，二面角约为111.5度。这种非平面结构使分子具有一定的极性。
许多化合物都含有过氧键结构，具有相似的化学特征。过氧化钠中，两个钠离子与过氧离子结合，过氧离子含有O-O单键。过氧化钡的结构类似，钡离子与过氧离子形成离子化合物。有机过氧化物如过氧化苯甲酰，也含有特征性的O-O键。这些化合物中的过氧键都相对不稳定，容易断裂释放氧气，因此都具有强氧化性和不稳定性，在化学反应中表现出相似的性质。