Question

为什么甲烷的分子结构式是正四面体?

Answer 1

首先，甲烷的一氯取代物没有同分异构体。说明甲烷中的四个氢是完全等价的，于是甲烷的分子结构就是一个C和4个氢通过完全等价的连接方式在空间中存在。于是我们可以想象出来这样的结构只有正方形（C在中心）或者正四面体（C在中心）。
其次，甲烷的二氯取代物也没有同分异构体。假设甲烷的结构是正方形，那么相临顶点上的取代和对角线两个顶点的取代是不等价的，也就是说，假如结构是正方形，那么甲烷的二氯取代物有2种。这和实验事实不相符。而正四面体正好满足实验得到的结果。
所以甲烷的分子结构是正四面体。这个问题是典型的利用取代物来测定分子结构的例子

Answer 2

甲烷的正四面体结构必须由碳原子轨道的杂化来解释。碳原子在以四个单键与其他四个原子或基团结合时，一个s轨道与三个p轨道经过杂化后，形成四个等同的sp
杂化轨道，四个sp
杂化轨道的轴在空间取向相当于从正四面体的中心伸向四个顶点的方向，只有这样，价电子对间的排斥作用才最小，所以各轴之间的夹角。即键角均为109.5
。