为什么甲烷的分子结构式是正四面体?

首先,甲烷的一氯取代物没有同分异构体.说明甲烷中的四个氢是完全等价的,于是甲烷的分子结构就是一个C和4个氢通过完全等价的连接方式在空间中存在.于是我们可以想象出来这样的结构只有正方形（C在中心）或者正四面体（C在中心）.
其次,甲烷的二氯取代物也没有同分异构体.假设甲烷的结构是正方形,那么相临顶点上的取代和对角线两个顶点的取代是不等价的,也就是说,假如结构是正方形,那么甲烷的二氯取代物有2种.这和实验事实不相符.而正四面体正好满足实验得到的结果.
所以甲烷的分子结构是正四面体.这个问题是典型的利用取代物来测定分子结构的例子

甲烷中C原子的第二层的4个电子形成sp3杂化，C-H键的能量相当，故只有C在中间，三个H分别在正四面体的顶点上，才能形成能量最低。

甲烷中C原子的第二层的4个电子形成sp3杂化，只要是sp3杂化都是正四面体。
再如SP杂化是直线型等等。