甲烷（CH4）思维导图

花房姑娘

2023-02-22

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中药/药学基础

有机化学

甲烷

CH4

有机化学

　　虽然你已经对甲烷的点-线成键示意图(右图)很熟悉了，但我们仍然需要进一步的研究甲烷的成键。　　示意图中的甲烷分子结构与碳的电子排布(1s22s22px12py1) 之间存在着严重的冲突。根据碳的近代电子排布，其外层可以跟氢原子共享的电子(未配对电子)只有2个，而示意图中的碳原子提供了4个电子与氢原子共享。

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思维导图大纲

2s轨域和2p轨域之间的能量缺口很小, 因此碳只需投入很少的能量便可将2s轨域上的一个电子跃迁到空2p轨域上，这样做的好处是，碳将拥有4个未配对电子——也就是说，碳可以形成4个共价键。成键时额外形成的2个共价键所释放出的能量将超过碳开始时的投入(使电子跃迁的能量)。医.学教育网搜集整理

注意: 有的同学会对跃迁的电子变成向上的箭头产生疑问，因为电子在跃迁之前是向下的箭头。造成这一现象的原因很复杂——远远超过我们现在所讨论的范围。我们只需要养成这样画箭头的习惯就可以了，再说这样画箭头可以使轨域表示式看起来很整齐!

碳原子现在有4个可以成键的未配对的电子了，能形成4个共价键，不过这将产生一个新的问题，那就是：碳原子的4个电子存在于两种不同的轨域当中，而甲烷中所有碳与氢之间的成键都是相等的, 如果电子存在于不同的轨域中，那么它们的成键是不可能相等的。甲烷中4个键相等是一个事实，由此我们可以推断：碳原子外层的4个轨域在成键时一定是相同的。

杂化

杂化是一个重新排布电子的过程。如左图所示，电子进入了四个相同的轨域——这四个轨域被称为sp3杂化轨域(sp3表明其演化自1个s轨域和3个p轨域) 。"sp3" 读成"s、p、三"，而非"s、p的立方"。

sp3 杂化轨域在形状上类似半个p轨域，它们组织各自在空间中的方位并尽可能的使自己与其它3个sp3 轨域相距遥远。你可以以右图原子核为中心构造一个正四面体(金字塔形，4个面为等边三角形)，通过选择恰当的边长，4个sp3 轨域将能够分别接触到正四面体的4个角。注意，为了使右图的原子核清楚可见, 我们不得不将其所占的面积比例扩大了许多倍。

成键时发生了什么?

氢的电子位于1s轨域(以原子核为圆心的球状空间区域。我们在这一区域内找到电子的概率是固定的(比如说95%的概率))。当共价键形成时, 原子轨域(单个原子中的轨域)相互融合并产生新的轨域，新的轨域被称为分子轨域，分子轨域中包含着用来成键的电子对。

一共形成了四个分子轨域，分子轨域的形状类似融合前的sp3 杂化轨域，但其与sp3 杂化轨域明显不同的是其凸部有一个氢原子核。每个分子轨域容纳2个电子，我们曾在成键示意图上分别用点和叉表示过这两个电子。

现在，让我们总结共价键形成的全过程：如果有需要，电子将首先跃迁，紧接着就杂化并形成新的分子轨域——此过程适用于一切以共价键连接的分子。

高二化学备考：高二化学有机物起始课和甲烷1思维导图