碳的杂化涉及两个纯原子轨道的组合，以形成具有自身特征的新的分子轨道“杂种”。与先前的轨道概念相比，原子轨道的概念提供了更好的解释，以建立近似的位置，在该位置处更有可能在原子内找到电子。

换句话说，原子轨道是量子力学的表示形式，用于给出一个电子或一对电子在原子内某个区域中的位置的概念，其中每个轨道都是根据其数的值定义的量子。

量子数通过给定电子的能量（n），在运动中描述的角动量（l）以及相关的磁矩来描述给定时刻系统的状态（例如原子内电子的状态） （m）和电子在原子内传播时的自旋。

这些参数对于一个轨道上的每个电子都是唯一的，因此两个电子不能具有四个量子数的完全相同的值，每个轨道最多可以被两个电子占据。

什么是碳杂交？

为了描述碳的杂化，必须考虑到每个轨道的特性（形状，能量，大小等）取决于每个原子的电子构型。

也就是说，每个轨道的特性取决于电子在每个“壳”或能级中的排列：从最接近原子核到最外层（也称为价壳）。

在最外层的电子是唯一可用于形成键的电子。因此，当两个原子之间形成化学键时，就会产生两个轨道（每个原子一个）的重叠或重叠，这与分子的几何形状密切相关。

如前所述，每个轨道最多可以充满两个电子，但必须遵循Aufbau原理，根据其能级（从最小到最大）填充轨道。显示如下：

通过这种方式，首先填充1 s的能级，然后填充2 s的能级，然后填充2 p，依此类推，具体取决于原子或离子具有多少个电子。

因此，杂交是一种与分子相对应的现象，因为每个原子只能贡献纯的原子轨道（s，p，d，f），并且由于两个或多个原子轨道的组合，所以相同数量的原子允许元素之间链接的混合轨道。

主要类型

原子轨道具有不同的形状和空间方向，其复杂性不断增加，如下所示：

可以观察到，只有一种类型的s轨道（球形），三种类型的p轨道（小叶形状，其中每个波瓣都指向一个空间轴），五种类型的d轨道和七种类型的f轨道，其中每种类型的轨道拥有与同类轨道完全相同的能量。

处于基态的碳原子有六个电子，其构型为1 s ² 2 s ² 2 p2 ^。也就是说，它们应占据1 s（两个电子），2 s（两个电子）和部分2p的能级。 （剩下的两个电子）根据Aufbau原理。

这意味着碳原子在2 p轨道上仅具有两个未配对的电子，因此无法解释甲烷（CH ₄）分子或其他更复杂分子的形成或几何形状。

因此，为了形成这些键，需要将s和p轨道进行杂化（在碳的情况下），以生成可以解释甚至双键和三键的新杂化轨道，其中电子获得形成分子所需的最稳定构型。 。

Sp杂交

sp ³杂交由纯2s，2p _x，2p _y和2p _z轨道形成四个“杂化”轨道组成。

因此，电子在第2级发生重排，其中有四个电子可用于形成四个键，并且它们平行排列以具有较小的能量（更大的稳定性）。

一个例子是乙烯分子（C ₂ H ₄），其键在原子之间形成120°角，并赋予其平坦的三角几何形状。

在这种情况下，生成CH和CC单键（归因于sp ²轨道）和CC双键（归因于p轨道）以形成最稳定的分子。

Sp杂交

通过sp ²杂交，从纯2s轨道和三个纯2p轨道生成了三个“混合”轨道。此外，获得了参与双键形成的纯p轨道（称为pi：“π”）。

一个例子是乙烯分子（C ₂ H ₄），其键在原子之间形成120°角，并赋予其平坦的三角几何形状。在这种情况下，生成CH和CC单键（归因于sp ²轨道）和CC双键（归因于p轨道）以形成最稳定的分子。