在化學中，軌道雜化（或雜化）是混合原子軌道形成新的雜化軌道（具有不同的能量、形狀等，與組分原子軌道不同）的概念，適用于電子配對以形成價鍵中的化學鍵 理論。 例如，在一個形成四個單鍵的碳原子中，價殼 s 軌道與三個價殼 p 軌道結合，形成四個等價的 sp3 混合物，以圍繞碳的四面體排列與四個不同的原子鍵合。 雜化軌道可用于解釋分子幾何形狀和原子鍵合特性，并且在空間中對稱分布。 通常雜化軌道是通過混合具有可比能量的原子軌道形成的。

化學家 Linus Pauling 于 1931 年首次提出雜交理論，以使用原子軌道解釋甲烷 (CH4) 等簡單分子的結構。 鮑林指出，碳原子通過使用一個 s 軌道和三個 p 軌道形成四個鍵，因此可以推斷碳原子將以直角（使用 p 軌道）形成三個鍵，并使用 s 軌道形成第四個較弱的鍵 在某個任意方向。 實際上，甲烷有四個強度相等的 C-H 鍵。 任意兩個鍵之間的角度為四面體鍵角109°28'（約109.5°）。 鮑林假設在四個氫原子存在的情況下，s 和 p 軌道形成四種等效組合，他稱之為雜化軌道。 每個雜化物都表示為 sp3 以指示其組成，并沿著四個 C-H 鍵之一定向。 這個概念是為這種簡單的化學系統開發的，但這種方法后來得到了更廣泛的應用，今天它被認為是一種有效的有機化合物結構合理化啟發式方法。 它給出了一個簡單的軌道圖，相當于路易斯結構。

雜交理論是有機化學不可或缺的一部分，最引人注目的例子之一是鮑德溫規則。 為了繪制反應機制，有時需要兩個原子共享兩個電子的經典鍵合圖。 雜交理論解釋了烯烴和甲烷中的鍵合。 主要由軌道雜交決定的 p 特征或 s 特征的數量可用于可靠地預測分子性質，例如酸度或堿度。

軌道是分子內電子行為的模型表示。 在簡單雜交的情況下，這種近似基于原子軌道，類似于氫原子的軌道，氫原子是xxx可以精確求解薛定諤方程的中性原子。 在碳、氮和氧等較重的原子中，使用的原子軌道是 2s 和 2p 軌道，類似于氫的激發態軌道。

假設雜化軌道是原子軌道的混合物，以不同的比例相互疊加。 例如，在甲烷中，形成每個碳氫鍵的 C 雜化軌道由 25% 的 s 特征和 75% 的 p 特征組成，因此被描述為 sp3（讀作 s-p-三）雜化。 量子力學將這種混合描述為 N ( s + 3 p σ ) {\displaystyle N(s+{\sqrt {3}}p\sigma )} 形式的 sp3 波函數，其中 N 是歸一化常數（此處 1/2) 和 pσ 是沿 C-H 軸定向的 p 軌道以形成 sigma 鍵。 在這個例子中，系數的比率（通常表示為 λ）是 3 {\displaystyle \color {blue}{\sqrt {3}}}。 由于與軌道相關的電子密度與波函數的平方成正比，因此 p 特性與 s 特性的比率為 λ2 = 3。p 特性或 p 分量的權重為 N2λ2 = 3/4。

雜交從原子的角度描述了原子的鍵合。 對于四面體配位的碳（例如，甲烷 CH4），碳應具有 4 個具有正確對稱性的軌道以與 4 個氫原子鍵合。

碳的基態配置為 1s2 2s2 2p2 或更容易閱讀：

碳原子可以利用其兩個單獨占據的 p 型軌道與兩個氫原子形成兩個共價鍵，產生單線態亞甲基 CH2，這是最簡單的卡賓。 碳原子也可以通過一個電子從雙占據的 2s 軌道到空的 2p 軌道的激發（或促進）與四個氫原子鍵合，從而產生四個單獨占據的軌道。

兩個附加鍵的形成所釋放的能量足以補償所需的激發能，有力地促進了四個 C-H 鍵的形成。

量子力學上，如果四個鍵是等價的，則獲得最低能量，這要求它們由碳上的等價軌道形成。 可以獲得一組四個等效軌道，它們是價殼層（核心軌道幾乎從不參與成鍵）s 和 p 波的線性組合。