共有結合の生成を記述する方法として、原子価結合法と分子軌道法がある。本記事では、原子価結合法について解説する。
原子価結合法
原子価結合法によると、2つの原子が近づき、1個の電子が入った軌道が互いに重なり合うことで共有結合が生成する。重なった軌道の新しい1対の電子は、2つの原子核から引力を受けるため、2個の原子を結び付ける。
H2分子について考える。2つの水素原子は互いに1s軌道が重なり、1つの共有結合を生成する。この結合をσ結合という。（s軌道の重なりであるためσ）
H-H結合が生成されるとき、436 kJ mol-1のエネルギーが放出される。これは出発物であるH原子よりもH2分子の方が安定していることを意味する。また、H-H結合の結合力（結合解離エネルギー）は436 kJ mol-1であると言える。すなわち、H-H結合を解離するためには、436 kJ mol-1が必要となる。
H2分子の原子核の距離は、74 pmである。原子核同士の距離が近すぎると、正に帯電している原子核と負に帯電している電子の反発が大きくなる。一方、原子核同士の距離が離れすぎると、電子が十分に共有されなくなる。そのため、原子核同士の距離は最適な距離をとり、これを結合距離という。
混成軌道
水素分子は電子が2個しか登場しないため、考えやすかった。ここからは、4価の炭素原子を有する有機化合物の結合について考える。
sp3混成軌道
最も簡単な例としてメタンCH4について考える。
炭素原子は4つの価電子を持っているため、4つの水素原子と結合できる。このとき、4本の結合には2個のs軌道と2個のp軌道が使われる。しかし、4本の共有結合はすべて等価である。
1931年、Linus Paulingはこれを説明する方法を示した。それは、1つのs軌道と3つのp軌道を数学的に結合（混成）させ、正四面体の各頂点に向かう4つの等価な原子軌道をつくるというものであった。このように、1つのs軌道と3つのp軌道を混成させた軌道はsp3混成軌道と呼ばれる。
メタンのそれぞれのC-H結合は、439 kJ mol-1の結合力と109 pmの結合距離をもっている。この4本の結合は結合角を定義することができ、H-C-H結合角は109.5°である。
sp2混成軌道
sp3混成軌道と同様に、1つのs軌道と2つのp軌道を混成させると、sp2混成軌道となる。
sp2-sp2でσ結合が作られると考えると、p軌道が1つずつ余ることになる。このとき、p軌道が重なることでπ軌道が生成される。π軌道が1つ生成されると二重結合となる。
sp2混成軌道を有する最も簡単な有機化合物としてエチレンを考える。エチレンの炭素原子がもつ3つのsp2混成軌道は互いに120°の角度をなして同一平面上にある。残っているp軌道は、sp2平面に対して垂直に立っている。
sp混成軌道
ここまでくるとわかると思うが、1つのs軌道と1つのp軌道を混成させるとsp混成軌道となる。p軌道は2つずつ余り、2つのπ軌道が生成され、三重結合となる。
sp混成軌道を有するアセチレンは結合角が180°であり、直線状となる。
ヘテロ原子の混成
混成の概念は、炭素原子だけでなく、他の原子にも適用できる。
