甲烷分子鍵角是109.5°還是109°28'

摘 要：甲烷是最為簡(jiǎn)單的化合物，研究得已比較成熟。但是，現(xiàn)行教材對(duì)它的描述并不準(zhǔn)確，今詳細(xì)闡述之。

關(guān)鍵詞：甲烷；分子結(jié)構(gòu)；鍵角

一、甲烷簡(jiǎn)介

甲烷是我們學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)最先接觸的物質(zhì)之一，原因就是甲烷是最為簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物。甲烷是一種沒有顏色，沒有氣味的氣體，密度是0.717G/L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），極難溶于水。而談到鍵角時(shí)，不少教材或教參都有所忽略。

二、主流教材文獻(xiàn)的表述

①《有機(jī)化學(xué)》（第5版，人民衛(wèi)生出版社出版，主編：倪沛洲）P42：甲烷分子中的碳原子都是正四面體結(jié)構(gòu)，它的四個(gè)鍵從四面體中心分別伸向四個(gè)頂點(diǎn)，相互間的夾角為109.5°（更精確的是109 °28'）。

②《大學(xué)有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》（華東理工大學(xué)出版社出版，榮國(guó)斌、蘇克曼 編著）P26：甲烷分子是一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu)，碳原子位于中心，4個(gè)氫原子分別位于正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，4根鍵之間的夾角相等，為109°28'.

③《有機(jī)化學(xué)》（第3版，高等教育出版社出版，主編： 高鴻賓）P20：為了使式鍵電子之間的排斥力最小、最穩(wěn)定，四個(gè)SP雜化軌道在空間的排布，是以碳原子為中心，四個(gè)軌道分別指向正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，使SP雜化軌道具有方向性。同時(shí)兩個(gè)軌道對(duì)稱軸之間的夾角（鍵角）為109.5°

④《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》（第6版，清華大學(xué)出版社出版，任麗君、向玉聯(lián) 等譯）P9：SP雜化碳原子的4條相同的軌道與4個(gè)氫原子的1S軌道交疊，形成4條相同的C-H鍵，生成甲烷。甲烷中每條C-H鍵的鍵能為438，鍵長(zhǎng)為110。由于4條鍵有特定的幾何形狀，我們還能定義一個(gè)性質(zhì)，叫鍵角。H-C-H形成的角為109.5°，就是所謂的四面體角。

⑤《有機(jī)化學(xué)》（上冊(cè)，高等教育出版社出版，主編：嚴(yán)冬冬）P30：1874年荷蘭的范特霍夫 （22歲）和法國(guó)的勒貝爾（27歲）分別提出了一個(gè)假設(shè)，假設(shè)碳原子處在正四面體的中間，四個(gè)價(jià)鍵指向四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)鍵之間的夾角近似于109°28'，這樣一來解決了以往所不能解決的問題。

三、主流教材文獻(xiàn)表述的辨析

上述眾多主流文獻(xiàn)的共同特點(diǎn)，是都承認(rèn)甲烷分子呈正四面體結(jié)構(gòu)。不同之處是部分文獻(xiàn)用109°28'表述，另一部分則用109.5°表述。我們都知道109°28'并不等于109.5°，但是甲烷分子的構(gòu)型我們已非常熟悉，就是碳原子位于四面體的中心，4個(gè)氫原子位于正四面體的4個(gè)頂點(diǎn)。表示甲烷分子立體形狀有兩種方式：一是球棒模型（如圖1），二是比例模型（如圖2）。無論正四面體的邊長(zhǎng)為多少，其內(nèi)部各種角度都是唯一的。所以，甲烷分子的鍵角要么是109°28'，要么是109.5°。當(dāng)然，也可能既不是109°28'，也不是109.5°.

（圖1） （圖2） （圖3）

四、精確計(jì)算甲烷分子鍵角

（1）建立模型（如圖1）。令A(yù)BCD為正四面體，作BC的中點(diǎn)E，連接DE，作CD的中點(diǎn)F，連接BF。令DE與BF的交點(diǎn)為點(diǎn)M，連接AM。在AM上找到正四面體的中心，連接DO，最后連接AE。

五、 結(jié)果的分析與討論

從計(jì)算的結(jié)果來看，甲烷分子的鍵角并不是大多數(shù)現(xiàn)行教材文獻(xiàn)中的為109°28'、109.5°，是109°28'、109.5°。但是也有少部分文獻(xiàn)用詞準(zhǔn)確，確實(shí)難能可貴。同理，可推出NH+4、SiO2、CCl4、CF4、SiF4也有相同的鍵角。

結(jié)論與建議：①甲烷分子鍵角約為109°28'（或甲烷分子鍵角約為109.5°）。②我們不能盲從教材，要有獨(dú)立思考的習(xí)慣，打破思維定式，提高甄別能力。③做科學(xué)學(xué)術(shù)研究，要本著實(shí)事求是的原則。④也希望各種版本的《有機(jī)化學(xué)》教材、文獻(xiàn)再版或修訂時(shí)，注意甲烷分子鍵角約為109.28'，注意類似問題的準(zhǔn)確用語。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪沛洲.有機(jī)化學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2005.

[2]榮國(guó)斌，蘇克曼.大學(xué)有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2002.

[3]嚴(yán)冬冬.有機(jī)化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.