分子的空间结构与杂化轨道理论
在化学中，对于分子的形状与结构的探究是一项关键议题。以甲烷分子为例，其构造一直引起人们的关注。
甲烷分子，呈正四面体形态，其四个C-H键的长度是相等的，H-C-H的键角为109°28′。依据价键理论，这四个C-H单键都是σ键。碳原子的四个价层电子轨道包括三个相互垂直的2p轨道和一个球形的2s轨道，它们与四个氢原子的1s轨道发生重叠，这种情形似乎无法构成一个正四面体结构的甲烷分子。
鲍林提出了一种新的价键理论——杂化轨道理论，成功解决了这一矛盾。在形成CH4分子时，碳原子的一个2s轨道与三个能量相近的2p轨道发生混杂，形成四个新的杂化原子轨道。这些轨道各指向正四面体的四个顶点，角度为109°28′，并且每个轨道都与四个氢原子的1s轨道重叠，形成四个相同的C-H单键。
类似地，NH3和H2O等分子中的N、O原子也采取杂化方式，形成四面体形的VSEPR模型。但因为某些原子的孤电子对影响，它们的空间结构稍有不同。例如，氨分子中的N原子有一个孤电子对占据一个杂化轨道，因此其分子形态为三角锥形；而水分子中的O原子有两个孤电子对，占据两个杂化轨道，所以其分子形态为V形。
关于杂化轨道理论的一些要点：
（2）杂化后得到的杂化轨道具有相同的特性，包括能量、形状以及空间伸展方向等。
还存在其他类型的杂化轨道如sp杂化轨道。
当1个s轨道与1个p轨道混杂时，会形成两个sp杂化轨道。这两个轨道的夹角为180°，形状呈直线形。另外两个未参与混杂的2p轨道可以形成π键。
例如，乙炔分子中的碳原子采取sp杂化方式，得到两个sp杂化轨道。这些轨道与其他原子形成σ键，同时未杂化的2p原子轨道以“肩并肩”的方式重叠，形成π键。
同样地，1个s轨道与两个p轨道混杂可形成三个杂化轨道。这些轨道的夹角为120°，形状呈平面三角形。其中一个未参与混杂的p轨道可形成π键。
例如，乙烯分子中的碳原子采取这种杂化方式。其形成的σ键以及未成键的孤电子对在确定分子结构中起到关键作用。
总结碳原子的杂化轨道类型：
(1) 对于没有形成π键的分子如CH4、CCl4等，它们采取杂化的方式稳定结构。
(2) 对于形成一个π键的分子如CH2=CH2等，它们采取杂化的方式。
(3) 对于形成两个π键的分子如CH≡CH、CO2等，它们采取sp杂化的方式。