화학에서 사면체형 분자기하(四面體形分子幾何, 영어: tetrahedral molecular geometry)는 중심 원자에 배위하는 4개의 치환기가 사면체(정사면체)의 꼭짓점에 위치하는 분자의 기하 배치를 말한다. 이는 VSEPR 이론(원자가 껍질 전자쌍 반발 이론)에서 입체수 4에 해당하는 대표적인 분자 구조 중 하나이다.
4개의 치환기가 모두 동일한 경우, 결합각은 arccos(−1/3) = 109.4712206...° ≈ 109.5°이다. 이 완벽하게 대칭인 사면체는 점군(point group) Td에 속하지만, 대부분의 사면체 분자는 그만큼 대칭성이 높지 않다. 정사면체 분자는 카이랄(chiral)이 될 수 있다.
대표적인 예로 메테인(CH₄)이 있으며, 그 외에도 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn)의 수소화물 및 대부분의 포화 유기 화합물이 사면체형 구조를 갖는다. 사산화제논(XeO₄), 과염소산 이온(ClO₄⁻), 황산 이온(SO₄²⁻), 인산 이온(PO₄³⁻) 등도 사면체형 분자기하를 나타낸다.
암모니아(NH₃)는 중심 원자에 3개의 결합과 1개의 비공유 전자쌍을 가지므로, 비공유 전자쌍을 배위자의 하나로 간주할 때 사면체형 전자쌍 배열을 갖는다. 그러나 비공유 전자쌍의 반발력이 결합 전자쌍보다 크기 때문에 H-N-H 결합각은 109.5°보다 작은 약 107°로 수축된다. 물(H₂O)의 경우 중심 산소 원자에 2개의 결합과 2개의 비공유 전자쌍이 있어 전자쌍 배열은 사면체형이지만, 분자 기하 자체는 굽은형(bent)으로 분류된다.
전이 금속 화학에서 사면체형 분자 구조는 d⁰ 또는 d¹⁰ 전자 배치를 갖는 금속 착물에서 광범위하게 나타난다. 예시로 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)(Pd[P(C₆H₅)₃]₄), 니켈 카르보닐(Ni(CO)₄), 염화티타늄(IV)(TiCl₄) 등이 있다. 철(II), 코발트(II), 니켈(II) 등 d 궤도가 완전히 채워지지 않은 착물도 종종 사면체형 구조를 취한다.
일부 분자는 중심 원자 없이 사면체형 기하 배치를 갖는다. 무기 화합물의 예로는 백린(P₄)이 있으며, 4개의 인 원자가 사면체의 꼭짓점에 위치하고 각각 나머지 3개의 인 원자와 결합한다. 유기 화합물의 예로는 테트라헤드레인(C₄H₄)이 있다.
사면체형 구조는 분자의 기하학적 제약에 따라 크게 일그러질 수 있으며, 극단적인 경우 평탄화(planarization)가 일어나기도 한다. 이러한 현상은 페네스트레인(fenestrane) 계열 화합물에서 관찰된다. 또한 유기화학과 주족 원소 화학에서는 발덴 반전(Walden inversion)으로 알려진 사면체 탄소의 입체화학 반전이 일어난다.
