分子は原子と原子が結合したものですが、一体どうして２つ原子同士はつながっているのでしょうか？「子はかすがい」という言葉があるように夫婦を結びつけるものが子供の存在だったりします。同様に、２つの原子を結び付けているのは2原子間で「共有」されている電子対（２つの電子が一つの軌道に入った状態）です。
水素原子の電子の軌道（原子軌道を呼ぶ）は量子力学で計算により明らかになり、1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s, などと名前が付けられています。これらの軌道が重なっただけでは分子の形をうまくせつめいできないことから、混成軌道という概念が生まれました。2sは球状で、2px, 2py, 2pzはそれぞれアレイのような形の軌道が互いに直交しているわけですが、これだとメタンCH４がなぜ正四面体構造になるのかが説明できません。そこで2sと2p軌道3つが「混成」して新たな軌道をつくりその軌道が正四面体構造になっていると考えるわけです。
H2Oの形もこの方法で説明がつきます。NH3もしかり。
エチレンやアセチレンや二酸化炭素はどうやって説明するのか？それは、混成するｐ軌道の数で説明されます。ｐ軌道を２つつかうsp2混成軌道であれば、平面上に三ツ矢サイダーみたいな軌道ができます。つかわれなかったのこりの一つのｐ軌道は、三ツ矢サイダーのつくる平面に対して垂直です。これでエチレン2HC=CH2の水素が、ハの字にひろがることも、分子全体がひとつの平面上にあることも説明ができます。
二酸化炭素の分子軌道
二酸化炭素ＣＯ２の形（直線状）を説明する分子軌道としては、酸素原子に関してはsp2を考えます。炭素Ｃに関してはspを考えます。これで炭素―炭素間の3重結合の説明が尽きます（一つがsp混成軌道がつくるσ軌道、２つが、p軌道２つがつくるパイ結合２つ）。Cが一つのOとつくるパイ軌道と、もうひとつのOとつくるパイ軌道は直交します。パイ軌道と酸素の非共有電子対が入った２つの軌道は直交するので、結局２つの酸素原子の軌道は直交することになります。
- What is the Hybridization of Carbon Dioxide? byjus.com sp2, spを示した図が非常にわかりやすい。
