甲烷（CH₄）之所以呈现正四面体结构，主要源于其中心碳原子的杂化轨道理论以及电子对相互排斥的原理。甲烷分子中，一个碳原子与四个氢原子结合。碳原子的基态电子排布是1s²2s²2p²，在形成甲烷时，碳原子的一个2s电子会激发到2p轨道，变为2s¹2p³的激发态。随后，碳原子的一个2s轨道和一个2p轨道各混合一个电子，形成四个等价的sp³杂化轨道。这四个sp³杂化轨道的能量和形状都相同，呈正四面体分布，每个杂化轨道与一个氢原子的1s轨道重叠，形成四个C-H sigma键。
根据价层电子对互斥理论（VSEPR理论），分子中的电子对（包括成键电子对和孤对电子）会尽量远离彼此，以最小化它们之间的静电排斥力。在甲烷分子中，四个C-H键的电子对均匀地分布在正四面体的四个顶点，键角为109.5度，这使得整个分子结构尽可能稳定。因此，甲烷分子采取正四面体结构，是碳原子sp³杂化轨道与电子对互斥理论共同作用的结果，达到了能量最低、最稳定的构型。