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臭氧是由三个氧原子组成的分子，分子式为O₃。与我们常见的直线型分子不同，臭氧呈现弯曲型结构，键角约为117度。分子中有一个中心氧原子，通过化学键连接两个端氧原子。这种弯曲的几何结构是理解臭氧杂化的关键。
要理解臭氧的杂化，我们首先需要分析氧原子的电子构型。氧原子的电子构型为1s²2s²2p⁴，其中价电子层包含6个电子。在2s轨道中有2个成对电子，在2p轨道中有4个电子，其中2px和2py轨道各有一对成对电子，2pz轨道有一个未成对电子。这些价电子将参与化学键的形成。
在臭氧分子中，中心氧原子发生sp²杂化。杂化过程中，一个2s轨道与两个2p轨道混合，形成三个等价的sp²杂化轨道。这三个sp²杂化轨道在空间中呈平面三角形排列，相互间夹角为120度。其中两个sp²轨道用于与端氧原子成键，第三个sp²轨道容纳一对孤电子。剩余的一个2pz轨道保持不变，垂直于sp²杂化轨道所在平面。
化学键的形成是通过轨道重叠实现的。中心氧原子的两个sp²杂化轨道分别与两个端氧原子的p轨道重叠，形成两个σ键。轨道重叠区域电子云密度增大，形成稳定的化学键。由于中心氧原子还有一对孤电子占据第三个sp²轨道，这对孤电子会排斥成键电子对，使分子呈现弯曲结构，键角约为117度，而不是理想的120度。
除了σ键，臭氧分子中还存在π键。中心氧原子剩余的2pz轨道可以与端氧原子的p轨道进行侧面重叠，形成π键。由于π电子的离域化，臭氧分子存在共振现象，主要有两种共振结构：一种是左边为单键右边为双键，另一种是左边为双键右边为单键。实际的臭氧分子是这两种共振结构的杂化体，键长介于单键和双键之间，这种共振使分子更加稳定。