有機化合物の取り扱い
3つ以上の原子で構成される分子では，結合が2つ以上になり，結合角が生じ，分子に形が現れる．メタン ( CH4 )分子は，炭素の周りに4つの水素が等価に結合していて，それらの結合角( H-C-H )は，約109.5°であることが知られている．これまでに見てきた，s 軌道や p 軌道だけを使って説明するのは困難である．
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| (a) ボール-スティックモデル | (b) ファンデアワールスモデル | (c) チャージ表面モデル | |
| (スペースフィリングモデル) | |||
| 図 9.0.1 メタン ( CH4 ) | いくつかの表現法 |
本来は，メタンであれば，1つの炭素と4つの水素を構成する，原子核5個と電子10個について，波動方程式を解くことで求められるはずである．厳密な解法でないにしても，分子軌道法による計算が望ましい．しかし，より正しく扱うと，分子の理解が難しくなる．
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| 図 9.0.2 分子軌道法によって求めた，メタンの分子軌道． メタン分子の結合に関与している電子の分子軌道．軌道は分子全体に広がっている． |
分子軌道法は分子全体にわたる電子の挙動を表現している．したがって，分子の形のみならず，さまざまな化学的，物理的性質を扱うことができる．近年のパソコンの普及により，手軽にあつかえるようになった．すなわち，現代的な取り扱いである
注意
一見複雑にみえますが，炭素と4つの水素をまとめて1つの核としてみたら，s軌道1つとp軌道3つと同じです．
混成軌道(古典的取り扱い)と分子軌道(現代的取り扱い)
混成軌道法は，原子に対して得られた波動方程式の結果を用い，原子軌道におけるs 軌道や p 軌道の幾何学的合成をルイス理論に組み入れている．
そして，分子を扱うとき，分子骨格を形成する結合において，ひとつの化学結合については，2つの原子の軌道(混成軌道)の寄与だけで化学結合(σ結合やπ結合)を作らせる．
混成軌道法は，ルイス理論と量子力学と幾何学的合成を組み合わせた理論である．
混成軌道による説明は，不十分である．しかし，分子の構造やおおまかな性質をそこそこ説明できるので，便利である．基本的なパターン( CHNOの組み合わせによる分子なら，sp3， sp2， sp)の組み立てで分子を扱うので，計算機なしで扱える．
有機化学では，ふつう，おおまかには混成軌道をもとに分子をあつかい，詳細な取り扱いをする場合には，分子軌道法をもちいる．
混成軌道は，分子の形を考えるときには便利である．
2つの原子軌道から，結合性軌道と反結合性軌道の2つの軌道ができる．
σ結合は，化学結合をつくる2つの原子の間にのみ形成され，それらが組み合わさって分子の骨格を作る．
パウリの原理が成り立つ．すなわち，1つの軌道には，最大2つの電子が入る
混成軌道は，"足して2で割る" 的な考え方である． s 軌道1つとp 軌道1つから，sp 混成軌道 2 つを作る．忘れてはいけないのは，2つの軌道をもとにしているので，できるの軌道の数も2つであることである．1つの混成軌道は独立した1つの軌道として扱い，電子を配置するときも，1つの混成軌道にパウリの排他原理が適用されることである．
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| 図 9.1 s 軌道とp 軌道1つから，2つのsp軌道ができる．2つのsp 軌道は，互いに反対方向に向いている． |
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| 図 9.2 (a) 2つのsp 軌道は，炭素原子の1つの軸上に，互いに180°反対側に向いている．(b) 混成軌道に関与していない，残りの2つのp 軌道を重ねた様子．4つの軌道は，異なる色で区別してある． |
2つのsp 混成軌道は，1つの原子の軸上の両方に，それぞれ広がっている．炭素原子でsp 混成軌道にした場合，残りの2 つのp 軌道と合わせて，4つの結合が可能である．例として，アセチレン( HCCH )を見てみよう．
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| 図 9.3 sp 混成軌道の例 アセチレン ( HCCH ) |
2つの炭素原子のそれぞれに，sp 混成軌道を適用する．炭素原子のsp 混成軌道のうち，向かい合う2つの青の軌道が，σ結合を作り，炭素と炭素の1つ目の結合になる．混成軌道に参加していない，それぞれ2 つの p 軌道は，炭素と炭素の間に，2組のπ結合を形成し，2つ目と3つ目の結合(赤の組と橙の組)になる．炭素と炭素の間に3重結合が形成されている．残りの，2つのsp 混成軌道は，それぞれ水素とσ結合を作る(緑)．アセチレンは，全体して，sp 混成軌道を軸とした，直線状の分子である．
こんどは，"3つを足して3で割る" 的な考え方である． s 軌道1つとp 軌道2つから，sp2混成軌道 3 つを作る．この場合でも，忘れてはいけないのは，3つの軌道をもとにしているので，できるの軌道の数も3つであることである．1つの混成軌道にパウリの排他原理が適用されることは，言うまでもない．
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| 図 9.4 s 軌道とp 軌道2つから，3つのsp2 軌道ができる．3つのsp 軌道は，同一平面上に広がっている．角度は，基本的には，120°である． |
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| 図 9.5 3つの sp2 混成軌道と残りのp 軌道1つを重ねた様子．青，緑，紫の各色で示した，3つの sp2 混成軌道は，同一平面上に広がっている． |
3つのsp2 混成軌道は，同一平面上に，それぞれ120°の角度で広がっている．炭素原子でsp2 混成軌道にした場合，残りの1 つのp 軌道と合わせて，4つの結合が可能である．例として，エチレン( CH2CH2 )を見てみよう．
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| 図 9.6 sp2 混成軌道の例 エチレン ( CH2CH2 ) |
2つの炭素原子のそれぞれに，sp2 混成軌道を適用する．炭素原子のsp2 混成軌道のうち，向かい合う2つが，σ結合を作り，炭素と炭素の1つ目の結合になる．混成軌道に参加していない，sp2混成軌道の面に垂直な，それぞれ1 つの p 軌道は，炭素と炭素の間に，1組のπ結合を形成し，2つ目の結合になる．炭素と炭素の間に2重結合が形成されている．残りの，それぞれ2つのsp2 混成軌道は，4つの水素とおのおのσ結合を作る．エチレンは，2つの炭素と4つの水素が，全体して，同一平面上に位置する分子である．
こんどは，"4つを足して4で割る" 的な考え方である． s 軌道1つとp 軌道3つから，sp3 混成軌道 4 つを作る．この場合でも，忘れてはいけないのは，4つの軌道をもとにしているので，できるの軌道の数も4つであることである．もちろん，1つの混成軌道にパウリの排他原理が適用される．
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| 図 9.7 s 軌道とp 軌道3つから，4つのsp3 軌道ができる．4つのsp3 軌道は，空間的に互いに遠ざかる方向に広がっている．角度は，基本的には，約109.5°である． |
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| 図 9.8 4つのsp3 軌道は，1つの原子の核の周りに，互いに遠ざかる方向に広がっている． |
最初に取り上げた，メタン ( CH4 ) は，sp3 混成軌道の例である．sp3 混成軌道は，それぞれ約109.5°の角度で，空間的に広がっている．炭素原子でsp3 混成軌道にした場合，メタンの例のように，4つの結合が可能である．別の例として，エタン( CH3CH3 )を見てみよう．
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| 図 9.9 sp3 混成軌道の例 エタン ( CH 3CH 3 ) |
2つの炭素原子のそれぞれに，sp3 混成軌道を適用する．炭素原子のsp3 混成軌道のうち，向かい合う2つが，σ結合を作り，炭素と炭素の1つ目の結合になる．残りの，それぞれ3つのsp3 混成軌道は，6つの水素とおのおのσ結合を作る．エタンは，2つのメチル基( CH3 )が，炭素と炭素のσ結合で結び付いている構造である．σ結合は，軸対称であるので，回転できる．エタンは，2つのメチル基が回転により，位置関係を変えることができる．安定な位置は，水素同士がもっとも離れる，図 9.9 の位置である．