甲烷分子键角是109.5°还是109°28'

摘 要：甲烷是最为简单的化合物，研究得已比较成熟。但是，现行教材对它的描述并不准确，今详细阐述之。

关键词：甲烷；分子结构；键角

一、甲烷简介

甲烷是我们学习有机化学最先接触的物质之一，原因就是甲烷是最为简单的有机化合物。甲烷是一种没有颜色，没有气味的气体，密度是0.717G/L（标准状况），极难溶于水。而谈到键角时，不少教材或教参都有所忽略。

二、主流教材文献的表述

①《有机化学》（第5版，人民卫生出版社出版，主编：倪沛洲）P42：甲烷分子中的碳原子都是正四面体结构，它的四个键从四面体中心分别伸向四个顶点，相互间的夹角为109.5°（更精确的是109 °28'）。

②《大学有机化学基础》（华东理工大学出版社出版，荣国斌、苏克曼 编著）P26：甲烷分子是一个正四面体结构，碳原子位于中心，4个氢原子分别位于正四面体的四个顶点，4根键之间的夹角相等，为109°28'.

③《有机化学》（第3版，高等教育出版社出版，主编： 高鸿宾）P20：为了使式键电子之间的排斥力最小、最稳定，四个SP杂化轨道在空间的排布，是以碳原子为中心，四个轨道分别指向正四面体的四个顶点，使SP杂化轨道具有方向性。同时两个轨道对称轴之间的夹角（键角）为109.5°

④《有机化学基础》（第6版，清华大学出版社出版，任丽君、向玉联 等译）P9：SP杂化碳原子的4条相同的轨道与4个氢原子的1S轨道交叠，形成4条相同的C-H键，生成甲烷。甲烷中每条C-H键的键能为438，键长为110。由于4条键有特定的几何形状，我们还能定义一个性质，叫键角。H-C-H形成的角为109.5°，就是所谓的四面体角。

⑤《有机化学》（上册，高等教育出版社出版，主编：严冬冬）P30：1874年荷兰的范特霍夫 （22岁）和法国的勒贝尔（27岁）分别提出了一个假设，假设碳原子处在正四面体的中间，四个价键指向四面体的四个顶点，每两个键之间的夹角近似于109°28'，这样一来解决了以往所不能解决的问题。

三、主流教材文献表述的辨析

上述众多主流文献的共同特点，是都承认甲烷分子呈正四面体结构。不同之处是部分文献用109°28'表述，另一部分则用109.5°表述。我们都知道109°28'并不等于109.5°，但是甲烷分子的构型我们已非常熟悉，就是碳原子位于四面体的中心，4个氢原子位于正四面体的4个顶点。表示甲烷分子立体形状有两种方式：一是球棒模型（如图1），二是比例模型（如图2）。无论正四面体的边长为多少，其内部各种角度都是唯一的。所以，甲烷分子的键角要么是109°28'，要么是109.5°。当然，也可能既不是109°28'，也不是109.5°.

（图1） （图2） （图3）

四、精确计算甲烷分子键角

（1）建立模型（如图1）。令ABCD为正四面体，作BC的中点E，连接DE，作CD的中点F，连接BF。令DE与BF的交点为点M，连接AM。在AM上找到正四面体的中心，连接DO，最后连接AE。

五、 结果的分析与讨论

从计算的结果来看，甲烷分子的键角并不是大多数现行教材文献中的为109°28'、109.5°，是109°28'、109.5°。但是也有少部分文献用词准确，确实难能可贵。同理，可推出NH+4、SiO2、CCl4、CF4、SiF4也有相同的键角。

结论与建议：①甲烷分子键角约为109°28'（或甲烷分子键角约为109.5°）。②我们不能盲从教材，要有独立思考的习惯，打破思维定式，提高甄别能力。③做科学学术研究，要本着实事求是的原则。④也希望各种版本的《有机化学》教材、文献再版或修订时，注意甲烷分子键角约为109.28'，注意类似问题的准确用语。

参考文献：

[1]倪沛洲.有机化学[M].北京：人民卫生出版社，2005.

[2]荣国斌，苏克曼.大学有机化学基础[M].上海：华东理工大学出版社，2002.

[3]严冬冬.有机化学[M].北京：高等教育出版社，2006.