甲烷的分子模型

甲烷球棍模型教学参考
展示本模型，向学生讲述以下内容
1,什么是分子模型：
分子模型有多种形式，本模型属于球棍模型，每一根棍表示一个化学健，它能简明地表示原子间相互结合成分子的关系。

2，甲烷的分子结构：
甲烷分子是正四面体结构：碳原子处于正四面体的中心，4个氢原子位于4个角点，每个
碳氢键之间的夹角是109度28分，4个氢原子是等同的。

3，甲烷分子结构的重要性：
甲烷是最简单的有机化合物，许多有机物都可看成是甲烷的衍生物：展示乙烷、乙醇，乙酸等的模型与甲烷的结构关系。

4，甲烷结构式的简单画法：
通常，我们可以把甲烷的分子结构画成如下的形式：
5，甲烷分子的形成过程：
我们通过甲烷分子的形成过程，想对大家扩展一个重要的化学概念：杂化轨道。

这对于今后的学习是很有帮助的。

甲烷分子的形成过程，我们可以这样粗略地叙述：当碳氢原子相互接近时，为使两种原子更牢固地结合，碳原子最外层的2s轨道和3个2p轨道相互重新组合，形成我们称之为的“sp3杂化轨道”,这种杂化轨道是球形的s轨道和纺锤形的p 轨道重新组合成的4个新轨道，为了处于能量最低的位置，这4个轨道在空间分布成正四面体，每个氢原子都分别进入这四个轨道使相互的电子云达到最大限度的重叠而形成牢固的碳氢化学键，整个甲烷分子就形成了碳原子在中心，4个氢原子在顶点的正四面体结构。

6，上述过程用下面的图表示：在基态下，碳原子的电子层排布如下：
S s电子云，呈球形，在各个方向伸展是相同的；左边三个是p电子云，呈纺锤形，在空间有x,y,z三个伸展方向：
由于2s电子层和2p电子层的能量相近，当受到激发时，碳原子中的电子排布，变成了下面的情况：
当受到激发时，就形成了四个相同的新轨道，其形状是1/4的s电子云和3/4的p电子云：
这4个杂化轨道在空间成正四面体分布如下：
这样的杂化轨道形成后，4个氢原子分别进入杂化轨道和碳原子相结合实现电子云的相互重叠而形成4个碳氢化学键：
甲烷分子
5，对于上述所说的杂化轨道理论，我们会问：
○1碳原子是不是存在着一个真实的杂化轨道？
答案是否定的，上述所讲的杂化理论是人们对于客观事实的一种分析，不是碳原子真正存在着杂化轨道。

○2那么，是根据什么客观事实提出来的？
20世纪初期，由于现代价键理论的提出和实验技术的进步，测出了一些分子的键角与理论不符，如氧原子与氢原子组成的水分子H－O－H的键角是104.5度，不等于氧的2py与2pz轨道间的夹角90度。

类似的，NH3分子中H－N－H的键角也不等于90度，实际测得107.3度。

实验测得甲烷分子CH4是四面体结构，H－C－H键角为109.5度。

○3怎样来解释这些事实呢？
1931年，美国化学家鲍林，把量子力学运用于分子结构和化学键特性研究这一问题，提出了大致如上面的解释，形成一系列的杂化理论。

用这种理论，解释了许多化学事实，得到了公认。

当然，杂化理论是一个十分复杂的现代化学理论，我们这里只是一个简单的xp3杂化，还有更多的杂化轨道类型，杂化理论涉及到复杂的数学和物理知识。