Diamond軟件輔助《晶體化學(xué)》教學(xué)

周薇薇，王鳳武，陳永紅（淮南師范學(xué)院化學(xué)與化工系，安徽淮南 232001）

Diamond軟件輔助《晶體化學(xué)》教學(xué)

周薇薇，王鳳武，陳永紅
（淮南師范學(xué)院化學(xué)與化工系，安徽淮南 232001）

以閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)為例，闡述Diamond軟件在《晶體化學(xué)》課程教學(xué)中的輔助應(yīng)用。Diamond軟件可以構(gòu)建閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)的球棍模型圖，用形象的立體圖像把抽象的晶體結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生，還可以顯示ZnS的空間點(diǎn)陣、離子（原子）坐標(biāo)、配位多面體、配位多面體的堆積方式等信息，從而形象地表述教學(xué)內(nèi)容，極大地豐富教學(xué)手段，有效地提升教學(xué)質(zhì)量。

Diamond軟件；閃鋅礦ZnS；空間點(diǎn)陣；配位多面體

1 引言

Diamond是Crystal Impact GbR公司開發(fā)研制的一款化學(xué)軟件。Diamond可以畫出晶體結(jié)構(gòu)的球棍模型圖、密堆積、線形圖、熱橢球圖和立體圖，也可以用于晶體局部結(jié)構(gòu)的繪制、編輯。其結(jié)果可以以BMP、GIF、JPGE等圖片格式輸出，同時也可以用復(fù)制粘貼命令將繪制的圖片文件直接放入文檔。該軟件還可以對構(gòu)建的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動、放大、縮小等操作，同時記錄其運(yùn)動過程，制成動畫文件，在其他多媒體播放器中播放。由于這款軟件沒有復(fù)雜的規(guī)則，并且在操作與運(yùn)行并不要求具備較多的計算機(jī)知識，它可以很容易地被教師運(yùn)用在教學(xué)的過程中，以提高教學(xué)的效果和質(zhì)量。

晶體化學(xué)是研究晶體在原子水平上的結(jié)構(gòu)理論，揭示晶體的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和性能三者之間的內(nèi)在聯(lián)系以及有關(guān)原理的化學(xué)分支學(xué)科。晶體化學(xué)原理涉及鍵型、構(gòu)型以及它們隨組成而變異的規(guī)律，其原理的表達(dá)主要通過組成晶體結(jié)構(gòu)的原子、離子的數(shù)量關(guān)系、大小關(guān)系和作用力的本質(zhì)及其變異等要素來進(jìn)行。晶體是由原子、分子、離子在空間按一定規(guī)律周期重復(fù)的排列的固體物質(zhì)，晶體中原子、分子或離子的排列具有三維空間的周期性，隔一定的距離重復(fù)出現(xiàn)，這種周期性規(guī)律是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。晶體結(jié)構(gòu)的抽象復(fù)雜性，對學(xué)生來說有一定的難度。因此，晶體化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是如何使學(xué)生能真切地感知微觀世界的精彩和奇妙。Diamond軟件的引入可以將抽象復(fù)雜的東西直觀形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前，發(fā)展學(xué)生的空間想象能力和抽象思維能力。本文以Diamond3.0a版本為例，通過構(gòu)建閃鋅礦ZnS的晶體結(jié)構(gòu)，來說明Diamond軟件在晶體化學(xué)教學(xué)過程中的輔助作用。

2 利用Diamond軟件構(gòu)建閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)模型

首先用Diamond軟件繪制閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)的一個晶胞。菜單Build＼Fill＼UnitCell，晶體單胞中的所有質(zhì)點(diǎn)就出現(xiàn)了，然后繼續(xù)菜單Build＼ConnectAtoms，質(zhì)點(diǎn)就通過化學(xué)鍵連接起來了。這樣就通過Diamond軟件的繪制得到了閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)中一個單胞的球棍結(jié)構(gòu)圖（圖1）。圖1中，黑色球是Zn2+，白色球是S2-，之間的連線表示化學(xué)鍵，細(xì)黑線是晶胞的界限。

圖1 閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)的一個晶胞

（1）空間格子類型

用相當(dāng)點(diǎn)的方法可以確定閃鋅礦晶胞是一立方面心格子（F）。根據(jù)在晶體結(jié)構(gòu)中確定相當(dāng)點(diǎn)的兩個條件：a.所選點(diǎn)所在位置的種類和空間位置相同，如位于某種質(zhì)點(diǎn)的中心，或某個特定幾何構(gòu)型的中心等；b.所選點(diǎn)的周圍環(huán)境（三維空間）相同，如在該點(diǎn)的相同方位和距離上有相同的質(zhì)點(diǎn)和幾何構(gòu)型。觀察確認(rèn)過程具體如下：選擇陽離子Zn2+的位置作為相當(dāng)點(diǎn)座落的位置，觀察其位置和環(huán)境是否滿足相當(dāng)點(diǎn)的條件。第一，很明顯陽離子Zn2+是同屬一種質(zhì)點(diǎn)類型，滿足a條件；第二，每個陽離子Zn2+的周圍都有四個陰離子S2-與之配位，形成正四面體的配位多面體，而且所有正四面體配位體在三維空間的擺置方式完全相同，所以滿足b條件。如此可知閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中，相當(dāng)點(diǎn)的位置可以座落在Zn2+的位置。

利用Diamond軟件，可以很容易繪制出閃鋅礦ZnS的空間點(diǎn)陣。菜單Build＼Fill＼Super Cell，彈出對話框，進(jìn)行Super Cell的選擇，點(diǎn)擊OK確定。這樣Super Cell中所有的質(zhì)點(diǎn)都顯示在軟件的圖片之中，下面需要進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)的刪減。因為我們選擇的相當(dāng)點(diǎn)位置座落在Zn2+的位置上，所以所有的S2-必須刪掉。菜單View＼Table＼Create Atoms，軟件的左面部分就會出現(xiàn)Table of Create Atoms，從Table of Create Atoms中選中所有的S2-，點(diǎn)擊刪除。完成后，圖片中剩余的質(zhì)點(diǎn)就可以作為空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)陣點(diǎn)，我們就得到了閃鋅礦ZnS的空間格子的示意圖（圖2（a））。從圖中我們可以很明顯地看出閃鋅礦ZnS的空間點(diǎn)陣屬于立方F格子形式。另外還可以手動連接其余的晶胞邊界，使圖片更加清晰明朗（圖2（b））。

另外，如果選擇陰離子S2-作為相當(dāng)點(diǎn)的座位位置的話，軟件操作是相同的，并且會產(chǎn)生相同的點(diǎn)陣類型結(jié)果。

圖2 閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣圖

（2）離子（原子）坐標(biāo)

把閃鋅礦ZnS晶胞的一個頂點(diǎn)座落在立方晶軸的原點(diǎn)上，如圖3所示。令圖3中的a0=1，計算出4個Zn和4個S的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)如下：

4Zn：

以上是獲得離子（原子）坐標(biāo)的一種方法，對閃鋅礦ZnS這樣的簡單結(jié)構(gòu)可以使用，對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)就不好使用。但是無論結(jié)構(gòu)和成分如何復(fù)雜，我們都可以在Diamond軟件中直接獲得離子（原子）坐標(biāo)。在Diamond軟件中，直接把鼠標(biāo)移到要研究的質(zhì)點(diǎn)之上，鼠標(biāo)旁邊就可以顯示有關(guān)這個質(zhì)點(diǎn)的一些有用信息，而需要的離子（原子）坐標(biāo)也可以直接得到，如圖3中所。圖3顯示的是選中一個陽離子Zn2+與一個陰離子S2-的離子坐標(biāo)。

圖3 Diamond軟件顯示閃鋅礦晶胞原子坐標(biāo)示意圖

（3）堆積方式

討論堆積方式是為了更好地理解和掌握晶體結(jié)構(gòu)特征的方法之一，不必過多考慮晶體的化學(xué)鍵性和陰陽離子的半徑。閃鋅礦的結(jié)構(gòu)可以理解為：陽離子Zn2+做立方最緊密堆積，陰離子S2-充填在半數(shù)的四面體空隙中。這樣可以使學(xué)生們?nèi)菀渍莆臻W鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的基本特征。

（4）利用Polyhedron分析配位數(shù)和配位多面體

用Diamond軟件畫出閃鋅礦ZnS結(jié)構(gòu)，菜單Picture＼Polyhedron Designs，彈出對話框，進(jìn)行多面體的設(shè)計，可以設(shè)計多面體的顏色，邊界線顏色，透明度等等。多面體設(shè)計好了之后，繼續(xù)進(jìn)行菜單Build＼Polyhedron＼Add Polyhedra，彈出對話框，選擇多面體的中心原子基團(tuán)跟配位原子基團(tuán)，點(diǎn)擊OK確定，閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)的配位多面體圖就繪制出來了（圖4）。

圖4（a）顯示S2-最緊鄰有4個Zn2+與之配位，故Zn2+的配位數(shù)是4，其陰離子配位多面體是四面體[SZn4]；同樣，每個Zn2+周圍有4個S2-與之配位，其陽離子配位多面體是四面體[ZnS4]（圖4（b））。

圖4 閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)陰、陽離子配位多面體圖

（5）配位多面體的鏈接方式

通過晶體化學(xué)知識已知，如果陰、陽離子相同，則晶體的配位多面體結(jié)構(gòu)形式是一樣的；如果陰、陽離子配位多面體不相同，則晶體的陰、陽離子配位多面體結(jié)構(gòu)形式是不相同的。閃鋅礦ZnS的多面體堆積方式可在Diamond軟件中很容易的分析得到。把ZnS的結(jié)構(gòu)信息輸入Diamond軟件中，通過多面體的設(shè)計，畫出四面體[ZnS4]的多面體堆積圖（圖5（a）），在圖中，可以看出所有的[ZnS4]四面體是采用共頂點(diǎn)的連接方式連接起來，構(gòu)成閃鋅礦晶體的三維結(jié)構(gòu)的；同樣，變換閃鋅礦結(jié)構(gòu)中的配位多面體，由四面體[ZnS4]換為四面體[SZn4]，其同樣是采用共頂點(diǎn)相連的方式連接（圖5（b））。

圖5 閃鋅礦ZnS晶體結(jié)構(gòu)陰、陽離子配位多面體堆積圖

3 結(jié)論

總之，Diamond是一款功能豐富、操作方便簡捷的軟件。它能對晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀、方便的圖形演示，把復(fù)雜的問題簡單化，把抽象的問題形象化，加深了學(xué)生對晶體學(xué)知識的理解和認(rèn)識。對晶體化學(xué)教師而言，Diamond可以有效地輔助教學(xué)，提高課堂講授效果。

[1]溫福山，周欣明，柳云騏等.應(yīng)用Diamond軟件輔助《材料化學(xué)》課程教學(xué)[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2008，25（10）：1299-1302

[2]吳平偉，朱志斌，戴金輝.Diamond軟件在晶體對稱性教學(xué)中的應(yīng)用－32點(diǎn)群晶體模型庫的建立[J].化學(xué)通報，2008，71（3）：236-238

[3]何涌，雷新榮.結(jié)晶化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008

Assistance of diamond software in the teaching of crystallographic chemistry

ZHOU Wei-wei，WANG Feng-wu，CHEN Yong-hong

The architecture of zinc blende is used as an example to present the applications of Diamond in the teaching of crystallographic chemistry.Diamond is not only able to exhibit the ball and stick pictures of the structure,but also can show the pictures of lattice,position of atoms,polyhedrons,packing modes of polyhedrons,and so on.Hence,it can enrich the teaching methods greatly and improve the teaching quality significantly.

diamond software;zinc blende;lattice;polyhedron

O-742

A

1009-9530（2012）03-0090-03

2012-03-25

安徽省高校人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)項目（2009cxsyq024）；安徽省高校省級教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)項目（20100904）

周薇薇（1981-），女，淮南師范學(xué)院化學(xué)與化工系講師，博士，主要從事功能配合物的研究。