原子軌道的雜化，指示分子的空間構型！

不過如果我們能讓 2s 和 2p 軌道首先混合，形成四個新的軌道，它們就會是等價的了；平均下來，新的軌道由四分之一的 2s 軌道和四分之三的 p 軌道構成。

這種平均的組合在這裏被叫做 sp3雜化軌道 (hybrid orbital)。而混合平均化的過程被稱爲雜化 ( hybridization). 雜化軌道在數學上等同於之前的 2s 和 2p 軌道，它的優點僅在於形成 MOs （分子軌道）時與成鍵電子對數相吻合。

那麼這四個雜化軌道應該長什麼樣呢？

如下圖，每個 sp3 軌道都含有四分之三的 p 軌道成分和四分之一的 s 軌道成分。和 p 軌道一樣，它有一個貫穿原子核的平面波節，但由於含有 2s 軌道成分，其中一個波瓣要比另一個大：考慮 2s 軌道的對稱性，當將它與 2p 軌道疊加時，會同時使一個波瓣的波函數值增加，另一個波瓣的減少。

四個 sp3 軌道指向四面體的四個頂點（確定分子形狀），因此我們可以使用每個 sp3 軌道中的大波瓣與每個氫原子的 1s 軌道重疊組成分子。

每次重疊都形成一個 MO (2sp3 + 1s), 我們可以在其中填入兩個電子以形成 C–H σ鍵。每種情況下，還會同時產生一個反鍵 MO, σ* (2sp3 – 1s), 它們是空置的。這時理論分析的電子空間分佈就與事實相吻合了，因此我們可以認定它們確實處在四根鍵中了。

同理，我們可以推出乙烷的雜化結構，即每個碳原子都將其中三個 sp3 AOs 指向氫原子，而留下一個 sp3 軌道與另一個碳原子形成 C–C 鍵。

對於烯烴，以最簡單的乙烯爲例，從事實角度上講，乙烯是一個平面分子，顯而易見，SP3雜化無法解釋它的平面結構，故而我們需要一個新的雜化軌道類型來解釋它。

我們的做法是混合 C–H 骨架所需要的所有軌道，並看看剩下的是什麼。

每個碳原子都連有三根等價的鍵 (一根爲 C–C 鍵，兩根爲 C–H 鍵)，因此我們需要將每個碳原子上的一個 2s 軌道與兩個 p 軌道混合 (這樣可以產生三根鍵)。我們可以將 2s, 2py, 和 2pz 軌道進行雜化 (任取位於同一個平面上的所有 AOs), 生成三個 sp2 軌道確保來容納電子。

如上圖，生成的 sp2 雜化軌道含有三分之一的 s 軌道成分和三分之二的 p 軌道成分。並留下依舊如故的 2px 軌道。

每個碳原子上的三個 sp2 雜化 AOs 可以與其他原子上的三個軌道 (兩個氫原子上的 1s AOs 和另一個碳原子上的 sp2 AO) 重疊形成三個 σ MOs.

雜化的過程在每個碳原子上都留下了一個 2px 軌道，它們與它們上各自含有的一個電子構成了 π MO. 分子骨架由五根在同一平面內的 σ 鍵 (一根C–C 和四根 C–H) 構成，中心 π 鍵則由兩條 2px 軌道構成，位於平面的上方和下方。

p 軌道肩並肩形成 π 鍵沒有頭碰頭形成 σ 鍵更充分，這一分析在實驗事實上的證據是：打破一根C–C π 鍵（注意非碳碳雙鍵）需要的能量比 C–C σ 鍵少 ( 分別爲 260 kJ mol−1 和 350 kJ mol−1)

運用相同的辦法，乙炔中含有一根 C≡C 三重鍵。每個碳原子只和兩個其他原子結合形成直線形 CH 骨架。因此，首先參與雜化的是兩個軌道；其次，參與雜化的兩個軌道一定是能形成這種對稱性的 2s 和 2px 軌道。雜化後的軌道稱爲 sp 雜化軌道。而雙方碳原子餘下的 2py 和 2pz 軌道分別構成兩根 π MOs.

乙炔分子中，碳原子的兩個 sp AO 分別與一個氫原子 1s AO 和另一個碳原子的sp 軌道重疊成鍵。剩餘的兩對 p 軌道結合形成相互垂直的 π MOs.

除了碳原子外，其他雜原子爲了成鍵，同樣會有雜化的原子軌道用來容納電子，下面是兩個簡單的例子；