杂化轨道理论是Linus Carl

Pauling于1931年提出的，其实验事实基础是许多分子的键角不等于原子轨道间夹角。如氧原子与氢原子组成的水分子H－O－H的键角是104.5o，不等于氧的2py与2pz轨道间的夹角90o。类似的，NH3分子中H－N－H的键角也不等于90o，实际测得107.3o。实验测得甲烷分子CH4是四面体结构，H－C－H键角为109.5o。

杂化轨道理论指出：上述分子中的氧原子、氮原子和碳原子并不是简单地以2p轨道与氢原子的1s轨道成键，而是在成键前，氧、氮和碳原子的2s轨道和2p轨道先进行了杂化。所谓杂化(hybridization)是一个能量的均化过程。经过了能量均化后的杂化轨道，其形状更有利于形成共价键时的轨道间重叠，从而形成能量更低和更稳定的共价键。以下以碳氢化合物为例加以说明。

1、sp3杂化与碳氢、碳碳单键

碳原子的电子构型为1s22s22px12py12pz，其中1s轨道中的两个电子不参与成键。由能量较低的2s轨道与能量较高的3个2p轨道进行杂化，形成4个简并(即能量相同的)的sp3杂化轨道(sp3-hybrid

orbital)。每个sp3杂化轨道含有1/4的s轨道成分，3/4的p轨道成分，其能量高于2s轨道，低于2p轨道。

sp3杂化轨道的形状如图所示，四个简并的sp3杂化轨道采取相互尽可能远离的方式在空间排布，从而减少电子间的相互排斥作用，即形成四面体结构，sp3杂化轨道间的夹角为109.5°。每个sp3杂化轨道上各排布一个自旋平行的电子。

甲烷分子中，碳原子以sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道成键。所形成的键是沿轨道的轴向方向叠加的，形成的键轴向对称，称为σ键(σ

bonds)。4个C—H键的键角等于碳的sp3杂化轨道的键角，即109.5°。整个甲烷分子的形状为四面体，甲烷分子的轨道成键图以及球棍模型、比例模型如下图所示。

乙烷分子中有2个碳原子和6个氢原子。其中2个碳原子均以sp3方式杂化，各以1个sp3杂化轨道相互连接形成C－Cσ单键，每个碳上的另外3个sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道形成3个C－Hσ键，其轨道成键图与球棍模型图、比例模型如下所示。

2、sp2杂化与碳碳双键

根据杂化轨道理论，碳的2s和2p轨道还可以进行sp2杂化，即一个2s轨道和两个2p轨道杂化，形成三个简并的sp2杂化轨道(sp2-hybrid

orbital)。每个sp2杂化轨道含有1/3的s轨道成分，2/3的p轨道成分，其能量高于2s轨道，低于2p轨道。单个sp2杂化轨道的形状类似于sp3杂化轨道。

由于电子间的相互排斥作用，3个sp2杂化轨道处于相互远离的方向，即分别伸向平面三角形的3个顶点，因此轨道间夹角为120

o，处于同一个平面上。余下一个2pz轨道垂直于sp2杂化轨道平面。3个sp2杂化轨道与1个2pz轨道的空间排布如下图所示。

乙烯分子中的碳原子就是以sp2杂化轨道成键的。两个碳原子各以一个sp2杂化轨道相互重叠形成1个C－Cσ键，其余的sp2杂化轨道分别与氢原子的1s轨道形成4个C－Hσ键，这样，两个碳原子与四个氢原子处于同一个平面上。两个碳原子2pz轨道上的电子则在键轴平行的方向上侧面重叠成键，这样形成的共价键，电子云分布在乙烯分子所在平面的上下两方。这种键不同于σ键，不是轴向对称的，因此被称为π键(π

bonds)。乙烯分子的成键情况以及乙烯分子的球棍模型和比例模型如下图所示。

乙烯分子C=C双键中的两个键是不等同的，一个是由sp2－sp2形成的σ键，由于轨道重叠程度较大，所以键的强度较强；另一个是由p－p形成的π键，由于侧面相叠，重叠程度较弱，键的强度较弱。