趙丹 張瑞娟

摘 要：本文通過(guò)詳細(xì)分析如何使用Diamond軟件構(gòu)建金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，來(lái)說(shuō)明Diamond軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中的輔助應(yīng)用。用形象的立體圖像把抽象的原子結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生，克服傳統(tǒng)教學(xué)中可視化差、形象不夠直觀的缺點(diǎn)，從而使深?yuàn)W、抽象的結(jié)構(gòu)化學(xué)課中原子、分子、晶體的微觀結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容形象化、簡(jiǎn)單化，提高結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化學(xué) 教學(xué) Diamond軟件

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（a）-0134-01

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)其它各學(xué)科的理論基礎(chǔ)，研究原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu)，探索物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。由于它涉及的內(nèi)容理論性強(qiáng)，且非常廣泛、抽象，需要學(xué)生具有扎實(shí)的量子力學(xué)、群論、數(shù)學(xué)物理方程等知識(shí)。特別是在介紹原子、分子及晶體的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，由于無(wú)法通過(guò)肉眼進(jìn)行直接觀察微觀結(jié)構(gòu)，而且教師也很難用宏觀的模型進(jìn)行科學(xué)的描述，這就需要學(xué)生具有非常豐富的空間想象能力。傳統(tǒng)的黑板演示的教學(xué)模式或者借助一些球棍實(shí)體模型教具幫助學(xué)生理解的教學(xué)方式，存在模型有限和難以表達(dá)一些抽象、復(fù)雜的空間構(gòu)型的缺點(diǎn)，使學(xué)生缺乏形象化和空間化的思維環(huán)境。如何生動(dòng)形象地進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)，是目前結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的一個(gè)重難點(diǎn)。

Diamond 是Crystal Impact GbR 公司開(kāi)發(fā)的結(jié)晶化學(xué)作圖軟件，沒(méi)有授權(quán)的單位和個(gè)人可以通過(guò)網(wǎng)站http：//crystalimpact.com/diamond/Default.htm下載免費(fèi)試用版（Diamond Demonstration Version 3.2i），利用這一軟件完全可以滿足我們的教學(xué)需求。這款軟件能把各種晶體的結(jié)構(gòu)以三維圖像的方式展示出來(lái)，把點(diǎn)陣、晶格、單胞、微觀對(duì)稱性、周期平移對(duì)稱性等抽象的東西形象化，使教學(xué)過(guò)程變得更加清晰明了，把抽象的問(wèn)題形象化，把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，以此加深學(xué)生對(duì)晶體學(xué)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，這將大大提高課堂的教學(xué)水平，提高課堂講授效果，也可進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的求知欲，舉一反三，一舉兩得。同時(shí)，由于這款軟件的設(shè)計(jì)非常人性化，沒(méi)有復(fù)雜的操作要求，不要求具備較多的計(jì)算機(jī)知識(shí)，它可以很容易地被學(xué)生接受。下文以Diamond 3.2i版本為例，通過(guò)典型的晶體結(jié)構(gòu)，即金剛石晶體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，來(lái)說(shuō)明Diamond軟件在晶體化學(xué)教學(xué)過(guò)程中的輔助應(yīng)用。金剛石的結(jié)構(gòu)作為diamond軟件的示例，保存在xx：＼Program Files＼Diamond 3＼Samples＼Minerals文件夾中，文件名為Diamond.dsf。下面具體介紹使用Diamond軟件來(lái)構(gòu)建金剛石晶體的結(jié)構(gòu)。

（1）通過(guò)菜單操作：File—Open，選定Diamond.dsf，打開(kāi)文件。

（2）繪制金剛石的一個(gè)晶胞結(jié)構(gòu)。通過(guò)Diamond軟件，可以很容易地繪制出金剛石的晶胞。具體做法如下：點(diǎn)擊主窗口下面的快捷鍵destroy all，清空主窗口；然后，通過(guò)菜單Build—Fill—Unit Cell，建立一個(gè)晶胞。再通過(guò)菜單操作Build—Connect Atoms，使各個(gè)碳原子通過(guò)化學(xué)鍵連接起來(lái)。圖中，每個(gè)灰色小球表示一個(gè)C原子，細(xì)黑線表示晶胞的邊界。將鼠標(biāo)箭頭放在一個(gè)C原子上，就顯示出這個(gè)C原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)和占位信息。利用這一功能，可以寫出金剛石晶體一個(gè)晶胞中8個(gè)原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：0，0，0（頂角原子）；1/2，1/2，0；1/2，0，1/2；0，1/2，1/2（三個(gè)面心原子）；3/4，1/4，1/4；1/4，3/4，1/4；1/4，1/4，3/4和3/4，3/4，3/4（四個(gè)分處晶胞四條體對(duì)角線上的原子）。

此外，將鼠標(biāo)箭頭放在一個(gè)C—C鍵上，顯示出這個(gè)化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)。通過(guò)鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊主菜單最下面快捷鍵“Rotate”操作，左右、上下轉(zhuǎn)動(dòng)圖示，全面觀測(cè)金剛石晶體的三維立體結(jié)構(gòu)?；蛘?，通過(guò)菜單操作，Picture—View direction，從不同角度觀測(cè)晶體，如x、y、z方向，或制定任意的（u、v、w）方向。

（3）查看晶體結(jié)構(gòu)信息。在主菜單右側(cè)的窗口中，點(diǎn)擊“Date sheet”選項(xiàng)卡可以看到金剛石晶體的詳細(xì)信息。General項(xiàng)中“ICSD-28862”表示金剛石在無(wú)機(jī)結(jié)晶學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)“ICSD”中的編號(hào)；Bibliographic data項(xiàng)記錄了這套晶體數(shù)據(jù)的出處，包括作者、發(fā)表刊物、發(fā)表時(shí)間；Phase data項(xiàng)中，符號(hào)“F d-3 m（227）-cubic”表示了金剛石晶體的空間群為第227號(hào)空間群“Fd-3 m”，晶系為立方晶系；Atomic parameters項(xiàng)顯示了金剛石晶體的一個(gè)結(jié)晶學(xué)不對(duì)稱單元的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)和占位信息。點(diǎn)擊“distances”選項(xiàng)卡，可以查看金剛石晶體中C—C鍵的鍵長(zhǎng)，為1.54。點(diǎn)擊“Powder pattern”選項(xiàng)卡，可以模擬出金剛石晶體的粉末衍射圖，在0～90°范圍內(nèi)共兩個(gè)峰，其晶面指數(shù)分別為（111）和（022）。

（4）繪制金剛石晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。金剛石晶體屬于面心立方晶格（F），根據(jù)點(diǎn)陣點(diǎn)的定義，在晶體結(jié)構(gòu)中確定點(diǎn)陣點(diǎn)應(yīng)遵循下面兩條規(guī)則：（1）所選點(diǎn)所在位置的種類和空間位置完全相同，如位于某種原子的中心位置，或某個(gè)特定幾何構(gòu)型的面心、體心等；（2）所選點(diǎn)的周圍環(huán)境完全相同，也就是說(shuō)，在該點(diǎn)的相同方向和距離上有相同的原子。很明顯，陽(yáng)離子，在一個(gè)金剛石晶胞中，頂點(diǎn)的一個(gè)原子和面心的三個(gè)原子的種類和環(huán)境完全相同，成為一類點(diǎn)，而四個(gè)分處晶胞四條體對(duì)角線上的原子構(gòu)成了另一類和環(huán)境完全相同的點(diǎn)。所以，應(yīng)該把第一類點(diǎn)中一個(gè)點(diǎn)和第二類中一個(gè)點(diǎn)看成一對(duì)，并選擇抽象成一個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)，這套點(diǎn)陣點(diǎn)的位置我們就可以選定為第一類的四個(gè)原子的位置，這就構(gòu)成了金剛石的空間點(diǎn)陣。

然后利用Diamond 軟件，繪制出金剛石的空間點(diǎn)陣。通過(guò)菜單操作Build—Fill—Super Cell，彈出對(duì)話框，選擇“2×2×2 cells”，點(diǎn)擊OK確定。這樣一個(gè)8倍的晶胞就顯示在主窗口中，進(jìn)行原子的刪減就可以得到金剛石的空間點(diǎn)陣，因?yàn)檫x擇的點(diǎn)陣點(diǎn)位置位于頂點(diǎn)和面心位置上，所以把晶胞四條體對(duì)角線上的原子刪掉就可以了。通過(guò)菜單操作View—Table—Create—Atoms，窗口右側(cè)就會(huì)出現(xiàn)Table of Create Atoms，從中選中所有的第二類原子，即68～99號(hào)原子，點(diǎn)擊刪除。完成后，剩余的點(diǎn)就構(gòu)成金剛石的空間點(diǎn)陣。

在科學(xué)教學(xué)方法廣泛推廣的今天，結(jié)構(gòu)化學(xué)作為一門理論性極強(qiáng)的科學(xué)，如何用形象而生動(dòng)的方式來(lái)進(jìn)行教學(xué)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一直是這門課程教學(xué)的難點(diǎn)之一。本文通過(guò)詳細(xì)展示Diamond軟件構(gòu)建金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu)部分內(nèi)容，不僅能使教學(xué)形象化，更能拓寬了學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)

[1] 周薇薇，王鳳武，陳永紅.Diamond軟件輔助《晶體化學(xué)》教學(xué)[J].淮南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，14（3）：90-92.

[2] 彭冬生.動(dòng)畫(huà)演示在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（9）：158.

[3] Colin H.L.Kennard，邵美成.在化學(xué)系進(jìn)行晶體學(xué)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)與方案[J].大學(xué)化學(xué)，1989，4（4）：58-59.