Dokładne ustalenie rozmieszczenia elektronów w atomie wymaga uwzględnienia kolejności zapełniania powłok i podpowłok, w zależności od ich wzrastającej energii oraz reguły Hunda, która mówi iż obsadzenie elektronów w jednej podpowłoce powinno być takie, aby było jak najwięcej niesparowanych elektronów. I to wystarczy do przewidywania rozmieszczenia elektronów w wolnym atomie, czyli w atomie, który nie jest połączony z żadnym innym atomem w postaci związku chemicznego.

Jeśli jednak dany atom łączy się z innym, to może nastąpić zmiana energii podpoziomów, a nawet poziomów energetycznych. W związkach organicznych zmiana ta dotyczy najczęściej podpoziomów 2s i 2p atomu węgla. Podpoziomy te mogą zrównać się – mogą osiągnąć pośrednią energię i jednocześnie zmienić swój kształt tworząc swoistą hybrydę, dlatego też to zjawisko nazywa się hybrydyzacją.

Najbardziej trwałą hybrydą jest uśrednienie wszystkich orbitali atomu węgla: trzech orbitali 2p (a więc 2p_x, 2p_y, 2p_z) oraz orbitala 2s. W wyniku hybrydyzacji powstaje uśredniony orbital sp³, składający się z czterech składowych orbitali. Hybryda ta jest podstawą cząsteczki metanu, oraz jego homologów – etanu, propanu, butanu itd.

Zjawisko hybrydyzacji sp³ przedstawia animacja: Powstawanie zhybrydyzowanego orbitalu sp³.

Zaś tworzenie się cząsteczki metanu i etanu przedstawiono w animacji: Budowa cząsteczek metanu i etanu.



Jeśli uśrednieniu ulegną tylko dwa spośród trzech orbitali 2p oraz orbital 2s, mówimy o hybrydyzacji sp². Hybrydyzację ta występuje w atomach węgla połączone ze sobą (oraz z tlenem, np. w grupie karbonylowej) wiązaniem podwójnym. Ze względu na obecność elektronu na niezhybrydyzowanym orbitalu 2p_z, oprócz wiązania sigma utworzonego ze zhybrydyzowanych orbitali, tworzy się jeszcze jedno wiązanie typu pi. Wiązanie typu pi jest słabsze od wiązań sigma, dlatego też alkeny są bardziej reaktywne od alkanów.

Proces hybrydyzacji sp² oraz tworzenie się etenu przedstawia animacja: Powstawanie zhybrydyzowanych orbitali sp² , budowa czasteczki etenu (etylenu).



W przypadku atomu węgla jest jeszcze jedna możliwość – uśrednienie się tylko jednego z orbitali 2p z orbitalem 2s. Tworzą się hybrydy sp, a pozostałe dwa niezhybrydyzowane orbitale 2p_y i 2p_z mogą tworzyć dwa wiązania typu pi, czyli w sumie z wiązaniem sigma powstanie wiązanie potrójne, charakterystyczne dla alkinów. Dlatego też alkiny są jeszcze bardziej reaktywne od alkenów.

Ten proces przedstawia animacja: Powstawanie zhybrydyzowanych orbitali sp, budowa czasteczki etynu (acetylenu).