我们怎么知道甲烷是四面体?

碳的价电子对CH成键有什么启示₄?

(提示:自CH的偶极矩₄是零，答案是，“不够”)

如果碳的轨道构型是2s²2 p²那么我们如何利用这些信息来计算甲烷(CH)这样的简单有机分子的轨道排列呢₄) ?

结果表明甲烷是四面体，有4个相等的键角为109.5°，4个相等的键长，没有偶极矩。

这就带来了两个问题。首先，我们如何知道, CH₄四面体吗?第二，我们如何调和这个电子构型(2s²2 p²)的事实，我们已经四个等量的碳氢键?

这就是这篇文章的内容。

目录

1. 碳的价电子排布是2s²2 p²
2. 我们可以利用这些信息来计算甲烷(CH)的结构吗₄) ?(剧透:没有)
3. 也许是甲烷(CH)₄正方形是平面的吗?
4. CH的方形平面结构的否定₄(1874)和四面体结构的提出
5. 四面体碳:在1874年还不受欢迎
6. 那么涉及到哪些轨道呢?
7. 笔记

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1.碳的价电子排布是2s²2 p²

在我们的回顾原子轨道我们看到了轨道构型价电子碳的是2s²2 p²如下图所示:

因为2s轨道的能量比2p轨道低，所以2s轨道先被填满。这意味着2s轨道上有两个电子，三个2p轨道中的两个有一个电子。还有一个空的2p轨道。

[此外，在“内壳层”1s轨道上有两个电子，它们不能成键]。

2.我们可以利用这些信息来计算甲烷(CH)的结构吗₄) ?(剧透:没有)

到目前为止一切顺利。如果我们只讨论孤立的碳原子，这是没问题的。

但为了真正有用，我们需要能够将碳的轨道与实际有机化合物的结构和成键联系起来。

最简单的有机化合物是甲烷₄．那么让我们把四个氢原子放到这个图中，并尝试应用我们所学的知识来提出一些关于这个分子成键的假设。

碳的3个p轨道都是90度，沿着x, y, z轴。

我们不应该认为甲烷的结构是每个p轨道上有3个碳氢键(彼此成90度)然后第四个碳氢键连接在2s轨道上吗?既然电子对相互排斥，也许我们应该把碳氢键放在离其他碳氢键最远的地方;这将使H-C-H键角为135°。

按照这个逻辑会得到这样的结构:

事实证明，这个建议是错误的。

为什么?

偶极矩。

每个碳氢键都有一个小偶极子这是因为C(2.5)和H(2.2)的电负性不同。我们期望C部分为负，H部分为正。

• 如果上面的结构准确地描述了甲烷的结构，我们可以期望甲烷有3个较长的C-H键(到2p轨道上)和一个较短的C-H键(到更靠近原子核的2s轨道上)
• 此外，我们预计3个H-C-H键角为90°，1个H-C-H键角为135°。
• 当碳氢偶极子的矢量和在这个结构中被加起来，它们会不都消掉了。
• 因此，我们期望观察到CH的一个小但可测量的偶极矩₄．［注1］

然而,测量的CH偶极矩₄是零．因此这不是正确的结构。

这告诉我们甲烷中所有的键长和键角都是一样的。

3.也许是甲烷(CH)₄正方形是平面的吗?

好吧，你说。如果所有碳氢键的长度和角度都相等，为什么碳氢键不能₄有下面的结构，其中所有的键角都是90°和CH₄是平的，在书页的平面上。(我们称这种结构为“方形平面”)。

事实上，直到1880年，这是大多数人对碳原子化学键排列的看法。非常杰出的化学家，比如贝采里乌斯到他们的坟墓里都没有理由怀疑甲烷不是平坦的。

然而，我们现在知道这是错误的。为什么?

4.CH的方形平面结构的否定₄(1874)和四面体结构的提出

如果甲烷被修饰成中心碳连着四个不同的基团，那么这个分子就可以以两种不同的异构体存在不可重叠的镜像(这被称为“光学异构”，课程后面会讲到)。

如果围绕中心碳的四个基团是四面体，这是可能的，但是不如果分子是方形平面。例如，甲烷衍生物氟氯甲烷在碳周围有四个不同的基团，可以分离成两种不同的异构体，使平面偏振光向不同方向旋转。我们稍后会看到，这些异构体被称为"对映体”)

这一观察结果排除了方形平面结构。如果碳是方形平面的，那么分子就会是平面的，并且可以叠加在它自己的镜像上，只有一种异构体是可能的。

雅各布·亨利克斯·范霍夫他是乌得勒支兽医学院的研究员，是最早提出三维碳可能性的人之一。在他的《空间的Chimie dans L’espace》(1874)中，他指出，原子在空间中的排列具有重要的实际后果——这一点在当时完全被忽视了。范霍夫指出，一个碳原子周围的四个不同基团的四面体排列(他称之为“不对称碳”)会产生两种不同的异构体，此外，这可以解释为什么酒石酸(有两个不对称碳原子)以三种形式存在(+、-、和内消旋）．［源］

范霍夫的工作——应该指出的是纯粹的理论工作——在一些圈子里并没有受到好评。

5.四面体碳:在1874年还不受欢迎

这位著名的德国化学家赫尔曼·科尔伯他说:

对于范霍夫来说，1901年，他乘坐飞马飞往斯德哥尔摩接受第一个诺贝尔化学奖。［注2］

碳原子周围化学键的四面体排列在1913年得到了无可辩驳的证明布拉格用x射线晶体学确定了金刚石的结构发现它是碳原子组成的四面体网络，C-C-C键角为109.5°。

6.那么涉及到哪些轨道呢?

我们现在把甲烷周围原子的四面体排列合理地解释为由于电子成键对彼此之间的斥力。VSEPR理论）.

这并不能帮助我们理解轨道然而，涉及到联系。

如果我们接受甲烷周围氢的排列是四面体，那么我们如何描述甲烷的成键轨道，考虑到我们所知道的几何结构年代而且p轨道?

毕竟，2p轨道彼此之间都是90度，但甲烷中的键角是109.5°。

此外，我们如何解释甲烷中的4个键都是相同长度的呢?比如2s轨道呢?

碳氢键上的电子是在轨道上吗p轨道或年代轨道?还是别的什么?

事实证明，传统的处理方法是把碳原子周围的化学键看成是在里面的杂化轨道。

下一篇文章会详细介绍。

下一篇文章:混合轨道

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笔记

注1。注意，单氘甲烷(CH_3.D是D氘(氢的重同位素)有一个小的偶极矩。［裁判］

注2:值得注意的是，范霍夫的诺贝尔奖是表彰他对物理化学的贡献，而不是有机立体化学。

我感谢这一页关于范霍夫的“空间原子排列”的历史观点。值得一读。

来自同一来源:范霍夫的四面体模型[来自莱顿科学博物馆的历史;源］

来自同一作者，关于Kolbe/van 't Hoff争吵的一些更多的历史观点:

显然，科尔比如此无节制和恶毒是愚蠢的。他目光短浅，猜错了。我们很容易理解，在历史的法庭上，他得到了他应得的。

他所倡导的这种态度对化学发展所做出的不可缺少的贡献，如何恰当地予以尊重是一个挑战。正是通过密切关注仔细的实验观察，化学才达到了现在的水平。科尔贝试图让科学走上一条富有成效、理性合理的道路。

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