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VSEPR模型虽然能够比较好的预测预测简单分子或离子的空间结构，但是并不能很好的解释为什么原子轨道与成键方向的不同。
我们以甲烷分子为例，甲烷分子实测的和VSEPR模型预测的空间结构都是正四面体形。若认为CH₄里的中心原子碳的4个价电子层原子轨道——2s和2px、2py、2pz分别跟4个氢原子的1s原子轨道重叠形成键，无法解释甲烷的4个C-H是等同的。因为碳原子的3个2p轨道是相互垂直，而2s轨道是球形的。
CH₄的分子结构和价电子轨道
为了解释分子或离子的空间结构，鲍林以量子力学为基础提出了杂化轨道理论。鲍林假设，甲烷的中心原子——碳原子——在形成化学键时，4个价电子层原子轨道并不维持原来的形状，而是发生所谓“杂化”，得到4个等同的轨道，总称sp³杂化轨道。
除sp³杂化，还有两种由s轨道和p轨道杂化的类型，一种是1个s轨道和2个p轨道杂化，杂化后得到平面三角形分布的3个轨道，总称sp²杂化轨道;另一种是1个s轨道和1个p轨道杂化杂化后得到呈直线分布的2个轨道，总称sp杂化轨道。
下图中画出了sp³、sp²和sp三种杂化轨道在空间的排布。
sp³杂化中3个p轨道都参与了杂化，杂化后的4个等同轨道互相之间张角最大，形成正四面体。
sp²杂化中，未参与杂化的1个p轨道垂直于杂化轨道形成的平面，杂化后的3个等同轨道互相之间张角最大，形成正三角形。
sp杂化中，未参与杂化的2个p轨道互相垂直，并垂直于杂化轨道形成的直线。
值得注意的是，杂化轨道总是用于构建分子的σ键，未参与杂化的p轨道才能用于构建π键。
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