實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，碳正離子和碳自由基具有平面結(jié)構(gòu)，而碳負(fù)離子則呈角錐狀，因此在碳正離子和碳自由基中，碳原子都采用sp2雜化方式，并使用3個(gè)sp2雜化軌道形成3個(gè)σ鍵，形成一個(gè)平面的分子。不同的是，在碳正離子中，2p軌道上沒有電子，而在碳自由基中，2p軌道上有一個(gè)單電子。   碳負(fù)離子的結(jié)構(gòu)與碳正離子或碳自由基不同，因?yàn)閹ж?fù)電荷的碳原子最外層有3對(duì)成鍵電子和1對(duì)未成鍵電子，這樣的4對(duì)電子需要采取相互遠(yuǎn)離的方式排列，因此碳負(fù)離子采用sp3雜化軌道成鍵，未成鍵電子對(duì)與3個(gè)共價(jià)鍵形成一個(gè)四面體結(jié)構(gòu)。碳正離子、碳自由基和碳負(fù)離子的結(jié)構(gòu)對(duì)比如下圖所示。

碳正離子、碳自由基和碳負(fù)離子的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性直接受到與之相連接的基團(tuán)的影響。碳原子在成鍵過程中，由于原子間的相互影響，同一原子中幾個(gè)能量相近的、不同類型的原子軌道，重新進(jìn)行線性組合，重新分配能量和確定空間方向，組成數(shù)目相等的新的原子軌道——雜化軌道。碳原子的雜化軌道有sp、sp2、sp3三種形式，碳原子結(jié)構(gòu)的電子分布及雜化軌道示意圖如圖1－5所示。其各自的典型代表分別為無定形碳、石墨和金剛石。