結構化學晶體結構部分教學中Diamond軟件應用探討

趙丹 張瑞娟

摘 要：本文通過詳細分析如何使用Diamond軟件構建金剛石的晶體結構，來說明Diamond軟件在結構化學教學過程中的輔助應用。用形象的立體圖像把抽象的原子結構展示給學生，克服傳統教學中可視化差、形象不夠直觀的缺點，從而使深奧、抽象的結構化學課中原子、分子、晶體的微觀結構部分的內容形象化、簡單化，提高結構化學的課堂教學質量。

關鍵詞：結構化學 教學 Diamond軟件

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0134-01

結構化學是化學其它各學科的理論基礎，研究原子、分子和晶體的微觀結構，探索物質的結構與性能之間的關系。由于它涉及的內容理論性強，且非常廣泛、抽象，需要學生具有扎實的量子力學、群論、數學物理方程等知識。特別是在介紹原子、分子及晶體的微觀結構時，由于無法通過肉眼進行直接觀察微觀結構，而且教師也很難用宏觀的模型進行科學的描述，這就需要學生具有非常豐富的空間想象能力。傳統的黑板演示的教學模式或者借助一些球棍實體模型教具幫助學生理解的教學方式，存在模型有限和難以表達一些抽象、復雜的空間構型的缺點，使學生缺乏形象化和空間化的思維環境。如何生動形象地進行化學物質微觀結構的教學，是目前結構化學教學的一個重難點。

Diamond 是Crystal Impact GbR 公司開發的結晶化學作圖軟件，沒有授權的單位和個人可以通過網站http：//crystalimpact.com/diamond/Default.htm下載免費試用版（Diamond Demonstration Version 3.2i），利用這一軟件完全可以滿足我們的教學需求。這款軟件能把各種晶體的結構以三維圖像的方式展示出來，把點陣、晶格、單胞、微觀對稱性、周期平移對稱性等抽象的東西形象化，使教學過程變得更加清晰明了，把抽象的問題形象化，把復雜的問題簡單化，以此加深學生對晶體學知識的理解和認識，這將大大提高課堂的教學水平，提高課堂講授效果，也可進一步培養學生的求知欲，舉一反三，一舉兩得。同時，由于這款軟件的設計非常人性化，沒有復雜的操作要求，不要求具備較多的計算機知識，它可以很容易地被學生接受。下文以Diamond 3.2i版本為例，通過典型的晶體結構，即金剛石晶體結構的構建，來說明Diamond軟件在晶體化學教學過程中的輔助應用。金剛石的結構作為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軟件來構建金剛石晶體的結構。

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

（2）繪制金剛石的一個晶胞結構。通過Diamond軟件，可以很容易地繪制出金剛石的晶胞。具體做法如下：點擊主窗口下面的快捷鍵destroy all，清空主窗口；然后，通過菜單Build—Fill—Unit Cell，建立一個晶胞。再通過菜單操作Build—Connect Atoms，使各個碳原子通過化學鍵連接起來。圖中，每個灰色小球表示一個C原子，細黑線表示晶胞的邊界。將鼠標箭頭放在一個C原子上，就顯示出這個C原子的分數坐標和占位信息。利用這一功能，可以寫出金剛石晶體一個晶胞中8個原子的分數坐標：0，0，0（頂角原子）；1/2，1/2，0；1/2，0，1/2；0，1/2，1/2（三個面心原子）；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（四個分處晶胞四條體對角線上的原子）。

此外，將鼠標箭頭放在一個C—C鍵上，顯示出這個化學鍵的鍵長數據。通過鼠標左鍵點擊主菜單最下面快捷鍵“Rotate”操作，左右、上下轉動圖示，全面觀測金剛石晶體的三維立體結構。或者，通過菜單操作，Picture—View direction，從不同角度觀測晶體，如x、y、z方向，或制定任意的（u、v、w）方向。

（3）查看晶體結構信息。在主菜單右側的窗口中，點擊“Date sheet”選項卡可以看到金剛石晶體的詳細信息。General項中“ICSD-28862”表示金剛石在無機結晶學數據庫“ICSD”中的編號；Bibliographic data項記錄了這套晶體數據的出處，包括作者、發表刊物、發表時間；Phase data項中，符號“F d-3 m（227）-cubic”表示了金剛石晶體的空間群為第227號空間群“Fd-3 m”，晶系為立方晶系；Atomic parameters項顯示了金剛石晶體的一個結晶學不對稱單元的分數坐標和占位信息。點擊“distances”選項卡，可以查看金剛石晶體中C—C鍵的鍵長，為1.54。點擊“Powder pattern”選項卡，可以模擬出金剛石晶體的粉末衍射圖，在0～90°范圍內共兩個峰，其晶面指數分別為（111）和（022）。

（4）繪制金剛石晶體的點陣結構。金剛石晶體屬于面心立方晶格（F），根據點陣點的定義，在晶體結構中確定點陣點應遵循下面兩條規則：（1）所選點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，或某個特定幾何構型的面心、體心等；（2）所選點的周圍環境完全相同，也就是說，在該點的相同方向和距離上有相同的原子。很明顯，陽離子，在一個金剛石晶胞中，頂點的一個原子和面心的三個原子的種類和環境完全相同，成為一類點，而四個分處晶胞四條體對角線上的原子構成了另一類和環境完全相同的點。所以，應該把第一類點中一個點和第二類中一個點看成一對，并選擇抽象成一個點陣點，這套點陣點的位置我們就可以選定為第一類的四個原子的位置，這就構成了金剛石的空間點陣。

然后利用Diamond 軟件，繪制出金剛石的空間點陣。通過菜單操作Build—Fill—Super Cell，彈出對話框，選擇“2×2×2 cells”，點擊OK確定。這樣一個8倍的晶胞就顯示在主窗口中，進行原子的刪減就可以得到金剛石的空間點陣，因為選擇的點陣點位置位于頂點和面心位置上，所以把晶胞四條體對角線上的原子刪掉就可以了。通過菜單操作View—Table—Create—Atoms，窗口右側就會出現Table of Create Atoms，從中選中所有的第二類原子，即68～99號原子，點擊刪除。完成后，剩余的點就構成金剛石的空間點陣。

在科學教學方法廣泛推廣的今天，結構化學作為一門理論性極強的科學，如何用形象而生動的方式來進行教學，從而激發學生的學習興趣，一直是這門課程教學的難點之一。本文通過詳細展示Diamond軟件構建金剛石的晶體結構，幫助學生更好地學習原子、分子和晶體的微觀結構部分內容，不僅能使教學形象化，更能拓寬了學生的視野，激發學習興趣。

參考文獻

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

[2] 彭冬生.動畫演示在《材料科學基礎》教學中的應用[J].科技創新導報，2013（9）：158.

[3] Colin H.L.Kennard，邵美成.在化學系進行晶體學教學的經驗與方案[J].大學化學，1989，4（4）：58-59.