甲烷的分子結(jié)構(gòu)
實(shí)驗(yàn)室k / 2019-05-07
革命導(dǎo)師恩格斯說(shuō)：“科學(xué)的發(fā)生和發(fā)展一開始就是由生產(chǎn)決定的。”（《自然辯證法》）有機(jī)化學(xué)也和其他科學(xué)一樣，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，積累了大量豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，人們對(duì)有機(jī)物的認(rèn)識(shí)也不斷地深化，因此，就不再滿足于外部的一些表面現(xiàn)象，而要逐步地去揭示有機(jī)物分子內(nèi)部的秘密，以了解其變化的規(guī)律性。
對(duì)甲烷分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，也是在大量實(shí)踐的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)由感性到理性，從低級(jí)到高級(jí)的逐步認(rèn)識(shí)過(guò)程。許多的實(shí)踐和分析結(jié)果都證明，甲烷分子中的一個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子不在同一個(gè)平面上，而是分布在空間，形成了一個(gè)正四面體形的立體結(jié)構(gòu)。碳原子處于正四面體的中心，四個(gè)氫原子分別連接在四面體的四個(gè)頂點(diǎn)上。碳原子的四根價(jià)鍵之間的夾角（鍵角）彼此相等，均為109°28'，各碳?xì)滏I之間的距離（鍵長(zhǎng)（由共價(jià)鍵所連接的原子在雙方原子核之間有著一定的距離，這個(gè)距離叫做鍵長(zhǎng)。其單位用Å（音埃）表示，1Å＝10（-8次方）厘米））也相同，均為1．09Å。甲烷分子的立體結(jié)構(gòu)如圖1－6（a）。
如果以不同顏色和大小的球代表碳原子和氫原子，以短棒作為碳?xì)湓娱g的價(jià)鍵，把它們連接起來(lái)，甲烷分子就可用如圖1－6（b）球棒模型形象地表示出來(lái)。但要注意，這種模型并沒(méi)有正確地表示出甲烷分子中碳?xì)湓拥拇笮”壤驮娱g的距離，僅表示了分子的立體形象。
甲烷分子為什么會(huì)具有正四面體的結(jié)構(gòu)呢？有一種軌道雜化理論對(duì)此作了解釋。為了說(shuō)明這種理論，先稍微回顧一下有關(guān)原子結(jié)構(gòu)和電子云概念的知識(shí)是必要的。
我們知道，原子核外的電子按能量大小分別排布在不同的電子層上。每個(gè)電子層上的電子其能量也還有差異，因此將電子層又分為一個(gè)或幾個(gè)“亞層”，分別用s、p、d、f等符號(hào)表示。離核最近的第一電子層上有一個(gè)亞層（s亞層），離核稍遠(yuǎn)的第二電子層上有二個(gè)亞層（s亞層和p亞層）。s亞層上有一個(gè)原子軌道（電子在原子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌道），p亞層上有三個(gè)原子軌道。根據(jù)不相容原理，在每個(gè)原子軌道里，最多能容納二個(gè)自旋方向相反的電子。在s亞層和p亞層中的電子就分別叫做s電子和p電子。
原子核外的電子并不是象地球繞太陽(yáng)那樣在一定的軌道上旋轉(zhuǎn)的，而是在核外一定的區(qū)域內(nèi)繞核高速運(yùn)動(dòng)著。因此，可把它看做是一層蒙在核外的帶負(fù)電荷的云霧一樣，通常叫做電子云。電子最常出現(xiàn)的地方，電子云密度最大；反之，電子云密度則最小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析和有關(guān)計(jì)算結(jié)果指出，s電子的電子云（通常叫s軌道）以原子核為中心，呈球形對(duì)稱分布，沒(méi)有方向性［圖1－7（a）］，p電子的電子云（通常叫p軌道）伸展成沒(méi)有柄的啞鈴狀，切面成“8”字形，而且p電子云在空間可以有三個(gè)相互垂直的伸展方向，即左右（px），上下（pz）或前后（py），見(jiàn)圖1－7（b）。
碳原子核外有六個(gè)電子，其電子排布是1s2、2s2、2px1、2py1，內(nèi)層的兩個(gè)電子（即1s2）一般不參與化學(xué)反應(yīng)，而最外層（第二層）的四個(gè)電子由于離核稍遠(yuǎn)，能量較高，是參與化學(xué)反應(yīng)的價(jià)電子。
按照一般的價(jià)鍵理論，價(jià)鍵的形成可以看作是電子云的重迭或電子配對(duì)的結(jié)果。在碳原子的最外層電子中，s電子已配對(duì)，不再成鍵，可成鍵的是兩個(gè)未配對(duì)的p電子。照此看來(lái)，碳原子應(yīng)是二價(jià)。但這與事實(shí)不符，因?yàn)樵诩淄榉肿又刑荚邮撬膬r(jià)的。為了解決這個(gè)矛盾，軌道雜化理論認(rèn)為：2s與2p屬于同一個(gè)電子能層，它們之間的能量相差很小，當(dāng)碳原子與氫原子形成甲烷時(shí)，在氫原子的作用下，碳原子的2s軌道中的一個(gè)電子可被激發(fā)到2p軌道上去，即C：1s2、2s2、2px1、2py1→C*：1s2、2s1、2px1、2py1、2pz1（C*表示碳原子的激發(fā)態(tài)），這樣碳原子就形成了四價(jià)。
上述雖很好地解釋了碳為什么能與四個(gè)氫原子結(jié)合的問(wèn)題，但還不能說(shuō)明甲烷分子中四個(gè)C－H鍵是等同的，因?yàn)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)時(shí)，碳原子的四個(gè)原子軌道中，一個(gè)是s軌道，三個(gè)是p軌道，它們不僅電子云分布方向不同，而且能量也有差別。為了解決新矛盾，這個(gè)理論認(rèn)為，在甲烷分子中，碳原子的四個(gè)成鍵軌道并不是純的2s、2px、2py、2pz原子軌道，而是由這些原子軌道“混合”起來(lái)重新組合成的四個(gè)能量等同的新軌道。這個(gè)組合成新軌道的過(guò)程叫做雜化。由一個(gè)s軌道和三個(gè)p軌道雜化形成的新軌道叫做sp3雜化軌道。sp3雜化軌道的形狀也和單純的s軌道、p軌道不同，見(jiàn)圖1－8（a），四個(gè)sp3雜化軌道分別沿四個(gè)對(duì)稱軸（以細(xì)線表示）對(duì)稱地分布在碳原子的周圍，對(duì)稱軸之間的夾角各為109°28'，如圖1－8（b），這樣，四個(gè)雜化軌道之間的排斥力最小，形成的體系也最穩(wěn)定。因此，就解釋了甲烷分子中碳原子四個(gè)價(jià)鍵的等同性和正四面體結(jié)構(gòu)。
由于sp3雜化軌道變成偏于一面，即電子云密度在一端較大，這樣就增加了它與另一個(gè)原子的電子云重迭的程度。我們知道，電子云重迭程度愈大，形成的共價(jià)鍵也愈牢固。在甲烷分子中，碳原子的四個(gè)sp3雜化電子云分別與四個(gè)氫原子1s電子云沿對(duì)稱軸方向彼此重迭，形成了甲烷分子，如圖1－9。這樣形成的鍵叫做σ鍵（σ讀西格馬），σ鍵的特點(diǎn)是形成鍵的兩個(gè)原子可以圍繞著對(duì)稱軸自由旋轉(zhuǎn)，而不改變電子云的對(duì)稱性，也不影響價(jià)鍵的強(qiáng)度和價(jià)鍵間的角度。由于σ鍵比較牢固，所以甲烷的性質(zhì)在一般情況下是比較穩(wěn)定的。
軌道雜化理論依賴于大量的感性材料，對(duì)甲烷及其他有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)作出了一些解釋，解決了部分問(wèn)題，但是，“認(rèn)識(shí)從實(shí)踐始，經(jīng)過(guò)實(shí)踐得到了理論的認(rèn)識(shí)，還須再回到實(shí)踐去。”因此，軌道雜化理論是否完善，尚有待于更進(jìn)一步的受實(shí)踐檢驗(yàn)。
有機(jī)物的立體結(jié)構(gòu)書寫起來(lái)比較麻煩，為方便起見(jiàn)，一般采用平面結(jié)構(gòu)式，如把甲烷書寫成.jpg "結(jié)構(gòu)式")
，以短線代表共價(jià)鍵。這種結(jié)構(gòu)式只表明組成甲烷分子的原子種類和數(shù)目，以及各原子間的連接次序和化合價(jià)，不能表明各原子在空間的排列方式。有時(shí)也常以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式表示，如把甲烷寫成CH4。
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.jpg "甲烷的正四體模型/甲烷的球棒模型")
.jpg "s和p電子云在空間的分布")
.jpg "一個(gè)sp3雜化軌道/四個(gè)sp3雜化軌道")
.jpg "甲烷分子的形成")
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