【008】杂化轨道理论
在【007】中，我们学习了在分子形成的过程中，共价键是怎么形成的。这节我们将介绍成键之后，分子的结构是怎么计算出来的。
如果要确定分子的结构，最简便的方法是我们不计算，直接用仪器判断分子的结构。在高中阶段常用的仪器有以下几种。
一是红外光谱仪，我们通过红外光谱仪测得某未知物质的红外光谱图，分析出分子中含有的化学键或官能团；二是质谱仪，现代化学常利用质谱仪测定分子的相对分子质量；三是X射线晶体衍射，用于分析晶体结构。而X射线衍射法，则是通过分析分子的键长、键能，从而判断分子结构。
一、杂化轨道理论简介
在介绍理论计算分子结构的方法之前，我们首先要搞清楚杂化轨道理论。这是用薛定谔方程计算出来的结果。轨道的杂化是指原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成与原轨道数相等的一组新轨道的过程，所谓杂化轨道，是指杂化后形成的新的能量相同的一组原子轨道。
以一个单独原子同能级s，p轨道为例，在原子中，三条p轨道和一条s轨道相安无事。但在分子中就不同了，由于共价键的形成改变了原子的状态，这种由于外力使原来的状态发生改变的作用在量子力学中叫做“微扰”，在共价键的形成产生的这种“微扰”作用下，使本不是简并轨道的原子轨道（如s轨道和p轨道），可以混合起来组成新的原子轨道——杂化轨道，这种轨道重新组合的方式称为杂化。
也就是说，杂化是在成键的过程中发生的。
杂化的特点有三点：同一分子中能量相近的几个原子轨道可以组合并杂化，杂化后重新均匀分布能量和空间方向，杂化前后原子轨道的数目相等。
杂化的种类有以下几种（在高中阶段主要学习s-p杂化），由s轨道和p轨道组成的杂化轨道称为s-p杂化轨道，由s轨道，p轨道和d轨道组成的杂化轨道成为s-p-d杂化轨道。s-p杂化分为 sp , sp^2 , sp^3 （s-p杂化一定是在同一能层）s-p-d杂化分为 d^2sp^3 , sp^3d^2 , dsp^3,sp^3d 等等等等，这是由于s有1个轨道，p有3个，d有5个，且d，s，p可能处于同一能层也可能不属于（这时要从能级组的角度理解）。
还有一种杂化叫做f-d-s-p杂化，哈尔特格林（R.Hultgren）推导出等性d-s-p杂化轨道之间的夹角公式，我国科学家唐敖庆先生推广了这个公式，使之适用于f-d-s-p杂化轨道。
二、窥见杂化轨道的全貌
下面让我们来窥探杂化轨道的全貌（主要针对s-p杂化），首先根据能量守恒定律，体系的总能量是不发生改变的，杂化前s轨道能量小于p轨道能量，杂化后各杂化轨道能量相同。也就是说s轨道能量＜杂化轨道能量＜p轨道能量。
其次是杂化轨道的形状，s-p杂化轨道形状为半个纺锤，并且杂化轨道在成键过程中只能头碰头形成 \sigma 键或者不成键，而且是大头那一边参与，这是由于根据最大重叠原理，使它的大头与其他原子轨道重叠，重叠程度越大，形成的共价键越牢固。
关于杂化轨道的空间分布，杂化轨道和不参与杂化的轨道关系，我们将在下一节讲VSEPR理论时提到。现在我们只需要知道 sp，sp^2 杂化后未参加杂化的p轨道仍然可以用于形成 \pi 键
那么原子为什么要杂化呢？理由是杂化后轨道内电子成键能力增强，分子更稳定。杂化轨道理论有什么用，这个原理能预测分子构型吗？我们都将在【009】中提到。
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