视频字幕
甲烷是最简单的烷烃分子，化学式为CH₄。它由一个碳原子和四个氢原子组成，分子量为16.04克每摩尔。甲烷是天然气的主要成分，在日常生活和工业生产中有着广泛的应用。
要理解甲烷的分子结构，我们首先需要了解碳原子和氢原子的电子构型。碳原子的电子构型是1s²2s²2p²，拥有4个价电子。氢原子的电子构型是1s¹，拥有1个价电子。这些价电子是形成化学键的关键，它们决定了原子如何与其他原子结合形成分子。
化学键的形成是分子结构的基础。在甲烷分子中，碳原子通过共价键与四个氢原子结合。共价键是通过原子间共用电子对形成的，每个C-H键都由一对共用电子组成。当原子的电子云重叠时，就形成了稳定的化学键，从而构成了甲烷分子的基本框架。
为了解释甲烷分子的立体结构，我们需要引入杂化轨道理论。碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生sp³杂化，形成四个能量相等、形状相同的sp³杂化轨道。这四个杂化轨道在空间中呈四面体分布，轨道间夹角为109.5度，这为甲烷分子的四面体结构提供了理论基础。
甲烷分子具有正四面体的立体结构。碳原子位于四面体的中心，四个氢原子分别位于四面体的四个顶点。所有H-C-H键角都是109.5度，四个C-H键的键长都相等，为1.09埃。这种结构使甲烷分子具有完美的对称性，是sp³杂化轨道理论的完美体现。