Figura. Geometría molecular del metano

 Geometría molecular del metano. La figura presenta dos representaciones complementarias de la molécula CH₄: una estructura de enlaces y un modelo molecular de esferas. Ambas muestran al carbono como átomo central, unido a cuatro átomos de hidrógeno mediante cuatro enlaces sigma C–H equivalentes. Aunque algunos enlaces se dibujan con líneas, cuñas y trazos para sugerir profundidad, la molécula no es plana. Los cuatro hidrógenos ocupan los vértices de un tetraedro imaginario y el carbono se localiza en su centro. Esta disposición tridimensional permite visualizar que todos los enlaces C–H son idénticos en una molécula aislada.

La explicación electrónica de esta geometría se basa en la hibridación sp³ del carbono. Un orbital 2s y tres orbitales 2p se combinan para producir cuatro orbitales híbridos equivalentes, orientados hacia los vértices del tetraedro. Cada orbital sp³ se solapa frontalmente con un orbital 1s de hidrógeno y genera un enlace sigma. La separación angular entre dos enlaces H–C–H es aproximadamente 109,5°, valor que maximiza la distancia entre las cuatro regiones de densidad electrónica enlazante y minimiza su repulsión. Por ello, una disposición plana en forma de cruz, con ángulos de 90°, sería menos estable y no describe la estructura real del metano.

La simetría tetraédrica también explica propiedades importantes de la sustancia. Aunque cada enlace C–H posee una polaridad muy pequeña, sus dipolos se compensan por completo debido a la distribución simétrica de los cuatro hidrógenos. El metano es, por tanto, una molécula apolar; entre sus moléculas predominan las fuerzas de dispersión de London. Esto ayuda a explicar que sea un gas a temperatura ambiente y que presente temperaturas de fusión y ebullición bajas. Su elevada energía de combustión permite emplearlo como combustible, especialmente en el gas natural. Además, su geometría tetraédrica constituye el patrón estructural básico de numerosos alcanos, biomoléculas y materiales orgánicos modernos diversos.