혼성은 오비탈을 섞어 새 방향을 만든다

s 오비탈은 방향이 없는 공이고, p 오비탈은 앞뒤로 뻗은 두 방울이다. s 성분을 조금씩 섞어 본다. 앞쪽 방울에는 더해지고 뒤쪽 방울에서는 상쇄되면서, 한쪽은 커지고 반대쪽은 작아진 혼성 오비탈이 돼요. 이렇게 방향이 뚜렷해진 오비탈이라야 멀리 뻗어 결합을 잘 이룬다. 한쪽이 커져야 결합이 선다.

섞는 오비탈의 개수가 방향의 개수를 정한다. s 하나에 p 하나를 섞으면 sp 두 방향이 정반대로 180도이고, p 둘이면 세 방향이 평면에서 120도이며, p 셋이면 네 방향이 사면체로 109.5도예요. sp² 와 sp³ 가 그 가운데와 끝이다. 버튼을 누르면 같은 원자의 오비탈들이 서로를 최대한 밀어내며 어떤 각으로 자리 잡는지 드러난다. 개수가 각을 정한다.

메테인을 직접 지어 본다. 탄소는 sp³ 혼성 오비탈 네 개을 사면체 방향으로 내밀고 있어요. 수소를 하나씩 붙이면 수소의 s 오비탈이 각 방울과 정면으로 겹쳐 시그마 결합이 생긴다. 네 개가 다 붙으면 완전히 대칭인 CH₄ 가 되고, 모든 H-C-H 각은 109.5도로 딱 맞아떨어져요. sp³ 혼성이 그 뼈대다. 네 방향이 한 분자다.

에틸렌의 이중 결합을 뜯어 본다. 두 탄소는 혼성이라 시그마 결합 하나로 정면에서 이어져요. 그런데 각 탄소에는 혼성에 쓰지 않은 p 오비탈이 하나씩 평면에 수직으로 남아 있다. 이 둘이 옆면끼리 겹쳐 분자 평면의 위아래에 파이 결합을 만들어요. sp² 가 그 평면의 뼈대다. 파이 겹침을 유지하려면 두 탄소가 같은 평면에 있어야 해서, 이중 결합은 평평하고 마음대로 비틀 수 없다. 평면이 비틀림을 막는다.

결합각은 혼성에 든 s 성분에 따라 부드럽게 달라진다. s 성분이 25% 면 sp³ 의 109.5도이고, 33% 면 sp² 의 120도이며, 50% 면 일직선의 180도로 이어져요. s 성분이 많을수록 오비탈이 더 넓게 벌어진다. s 성분을 밀면 결합각이 함께 움직이고, 왜 s 성분이 몰리는 쪽 각이 넓어지는지 감각이 잡혀요. 성분이 각을 민다.