轨道杂化

在化学中，轨道杂化（或杂交）是混合原子轨道的概念，以形成新的杂交轨道（具有与组成原子轨道不同的能量、形状等），适合电子配对形成价键理论的化学键。例如，在一个形成四个单键的碳原子中，价壳s轨道与三个价壳p轨道结合，形成四个等价的sp3混合物，在碳周围呈四面体排列，与四个不同的原子结合。混合轨道在解释分子几何学和原子结合特性时很有用，并且在空间中是对称排列的。通常混合轨道是由能量相当的原子轨道混合形成的。

轨道是分子内电子行为的一种模型表示。在简单杂化的情况下，这种近似是以原子轨道为基础的，类似于氢原子的轨道，氢原子是xxx可以精确解决薛定谔方程的中性原子。在较重的原子中，如碳、氮和氧，所用的原子轨道是2S和2P轨道，类似于氢的激发态轨道。混合轨道被认为是原子轨道的混合物，以不同比例相互叠加。例如，在甲烷中，形成每个碳-氢键的C混合轨道由25%的s特性和75%的p特性组成，因此被描述为sp3（读作s-p-3）杂化。量子力学将这种杂化描述为形式为N(s+√3pσ)的sp3波函数，其中N是一个归一化常数（这里是1/2），pσ是一个沿C-H轴指向的p轨道，形成一个西格玛键。在这个例子中，系数的比率（一般表示为λ）为√3。由于与一个轨道相关的电子密度与波函数的平方成正比，所以p字与s字的比率为λ2=3。p特性或p成分的重量是N2λ2=3/4。

sp3杂化从原子的角度描述原子的结合。对于一个四面体配位的碳（如甲烷CH4）来说，碳应该有4个具有正确对称性的轨道来与4个氢原子结合。碳的基态构型是1s22s22p2，或者更容易理解。碳原子可以利用其两个单占的p型轨道与两个氢原子形成两个共价键，产生单质亚甲基CH2，即最简单的碳化物。碳原子还可以通过激发（或促进）一个电子从双占的2S轨道到空的2P轨道与四个氢原子结合，产生四个单占轨道。形成两个额外键所释放的能量超过了所需的激发能量，在能量上有利于形成四个C-H键。从量子力学上讲，如果四个键是等价的，就可以得到最低的能量，这就要求它们是由碳上的等价轨道形成。可以得到一组四个等价轨道，它们是价壳（核心轨道几乎不参与成键）s和p波函数的线性组合，这就是四个sp3杂化体。