甲烷的分子结构_999化工商城

文章分类

化学常识>

化工知道>

化学视频>

甲烷的分子结构

实验室k / 2019-05-07

革命导师恩格斯说：“科学的发生和发展一开始就是由生产决定的。”（《自然辩证法》）有机化学也和其他科学一样，在长期的生产实践和科学实验过程中，积累了大量丰富的经验。随着生产的发展，人们对有机物的认识也不断地深化，因此，就不再满足于外部的一些表面现象，而要逐步地去揭示有机物分子内部的秘密，以了解其变化的规律性。

对甲烷分子结构的认识，也是在大量实践的基础上，经过由感性到理性，从低级到高级的逐步认识过程。许多的实践和分析结果都证明，甲烷分子中的一个碳原子和四个氢原子不在同一个平面上，而是分布在空间，形成了一个正四面体形的立体结构。碳原子处于正四面体的中心，四个氢原子分别连接在四面体的四个顶点上。碳原子的四根价键之间的夹角（键角）彼此相等，均为109°28'，各碳氢键之间的距离（键长（由共价键所连接的原子在双方原子核之间有着一定的距离，这个距离叫做键长。其单位用Å（音埃）表示，1Å＝10（-8次方）厘米））也相同，均为1．09Å。甲烷分子的立体结构如图1－6（a）。

如果以不同颜色和大小的球代表碳原子和氢原子，以短棒作为碳氢原子间的价键，把它们连接起来，甲烷分子就可用如图1－6（b）球棒模型形象地表示出来。但要注意，这种模型并没有正确地表示出甲烷分子中碳氢原子的大小比例和原子间的距离，仅表示了分子的立体形象。

甲烷分子为什么会具有正四面体的结构呢？有一种轨道杂化理论对此作了解释。为了说明这种理论，先稍微回顾一下有关原子结构和电子云概念的知识是必要的。

我们知道，原子核外的电子按能量大小分别排布在不同的电子层上。每个电子层上的电子其能量也还有差异，因此将电子层又分为一个或几个“亚层”，分别用s、p、d、f等符号表示。离核最近的第一电子层上有一个亚层（s亚层），离核稍远的第二电子层上有二个亚层（s亚层和p亚层）。s亚层上有一个原子轨道（电子在原子范围内运动的轨道），p亚层上有三个原子轨道。根据不相容原理，在每个原子轨道里，最多能容纳二个自旋方向相反的电子。在s亚层和p亚层中的电子就分别叫做s电子和p电子。

原子核外的电子并不是象地球绕太阳那样在一定的轨道上旋转的，而是在核外一定的区域内绕核高速运动着。因此，可把它看做是一层蒙在核外的带负电荷的云雾一样，通常叫做电子云。电子最常出现的地方，电子云密度最大；反之，电子云密度则最小。根据实验分析和有关计算结果指出，s电子的电子云（通常叫s轨道）以原子核为中心，呈球形对称分布，没有方向性［图1－7（a）］，p电子的电子云（通常叫p轨道）伸展成没有柄的哑铃状，切面成“8”字形，而且p电子云在空间可以有三个相互垂直的伸展方向，即左右（px），上下（pz）或前后（py），见图1－7（b）。

碳原子核外有六个电子，其电子排布是1s2、2s2、2px1、2py1，内层的两个电子（即1s2）一般不参与化学反应，而最外层（第二层）的四个电子由于离核稍远，能量较高，是参与化学反应的价电子。

按照一般的价键理论，价键的形成可以看作是电子云的重迭或电子配对的结果。在碳原子的最外层电子中，s电子已配对，不再成键，可成键的是两个未配对的p电子。照此看来，碳原子应是二价。但这与事实不符，因为在甲烷分子中碳原子是四价的。为了解决这个矛盾，轨道杂化理论认为：2s与2p属于同一个电子能层，它们之间的能量相差很小，当碳原子与氢原子形成甲烷时，在氢原子的作用下，碳原子的2s轨道中的一个电子可被激发到2p轨道上去，即C：1s2、2s2、2px1、2py1→C*：1s2、2s1、2px1、2py1、2pz1（C*表示碳原子的激发态），这样碳原子就形成了四价。

上述虽很好地解释了碳为什么能与四个氢原子结合的问题，但还不能说明甲烷分子中四个C－H键是等同的，因为处于激发态时，碳原子的四个原子轨道中，一个是s轨道，三个是p轨道，它们不仅电子云分布方向不同，而且能量也有差别。为了解决新矛盾，这个理论认为，在甲烷分子中，碳原子的四个成键轨道并不是纯的2s、2px、2py、2pz原子轨道，而是由这些原子轨道“混合”起来重新组合成的四个能量等同的新轨道。这个组合成新轨道的过程叫做杂化。由一个s轨道和三个p轨道杂化形成的新轨道叫做sp3杂化轨道。sp3杂化轨道的形状也和单纯的s轨道、p轨道不同，见图1－8（a），四个sp3杂化轨道分别沿四个对称轴（以细线表示）对称地分布在碳原子的周围，对称轴之间的夹角各为109°28'，如图1－8（b），这样，四个杂化轨道之间的排斥力最小，形成的体系也最稳定。因此，就解释了甲烷分子中碳原子四个价键的等同性和正四面体结构。

由于sp3杂化轨道变成偏于一面，即电子云密度在一端较大，这样就增加了它与另一个原子的电子云重迭的程度。我们知道，电子云重迭程度愈大，形成的共价键也愈牢固。在甲烷分子中，碳原子的四个sp3杂化电子云分別与四个氢原子1s电子云沿对称轴方向彼此重迭，形成了甲烷分子，如图1－9。这样形成的键叫做σ键（σ读西格马），σ键的特点是形成键的两个原子可以围绕着对称轴自由旋转，而不改变电子云的对称性，也不影响价键的强度和价键间的角度。由于σ键比较牢固，所以甲烷的性质在一般情况下是比较稳定的。