为什么甲烷是正四面体结构

近代物理技术测出甲烷分子是正四面体结构。甲烷分子中碳原子位于正四面体的中心，四个氢原子位于正四面体的四个顶点，碳氢键的键角是109°28′，四个碳氢键的键长和键能都相同。

碳原子核外电子排布式为：1s22s22p2，最外层轨道表示式为：

碳原子的2p轨道上有两个单电子，应只能与两个氢原子形成两根碳氢键，即CH 2。另外，这两个半充满的p轨道的夹角应为90°。这也与碳氢键的键角是109°28′的事实不符。

为什么甲烷是正四面体结构？

* * *

碳原子在与氢原子形成甲烷分子时，首先碳原子核外电子有一个激发的过程，2s轨道的1个电子激发到空的p轨道中，1个s轨道和3个p轨道再杂化，形式4个相同的sp3杂化轨道。激发、杂化的过程如图15（a）所示。(https://www.daowen.com)

4个相同的sp3杂化轨道之间有斥力，在空间上要尽量分布得远。4个轨道尽可能分布在较远的空间，所以形成正四面体结构，如图15（b）所示。

图15　sp3杂化

碳原子再与4个氢原子形成4个碳氢δ键。

可见，用杂化轨道理论非常清楚地解释了甲烷是由1个碳原子与4个氢原子形成四个碳氢δ键及甲烷的正四面体结构。