Diamond软件在《结构化学》“晶体结构”教学中的应用

摘 要： 文章从金属晶体和离子晶体中分别取例，阐述了Diamond软件在《结构化学》课程“晶体结构”部分教学中的辅助应用。空间点阵是晶体内部质点排布规律的表现，是一种很抽象的表现手段。Diamond软件可以以晶体结构为基础构建其空间点阵图。从软件角度，可以把确定为相当点的质点独立出来，排除掉不是相当点的质点的干扰，这样就可以清晰地、形象地看到某个晶体结构的空间点阵，从而确定空间点阵的具体类型，得到关于空间点阵的信息。

关键词： Diamond软件 空间点阵 晶体结构 相当点

1.引言

结构化学是一门在原子、分子水平上讨论物质微观结构，研究原子和分子运动规律，研究物质的结构和性能关系的科学，是化学的一个重要分支。它不仅是化学专业的一门基础理论课，而且是化工、材料、生物、环境等学科的一门专业基础课。结构化学是一门理论性较强的科学，有些概念抽象难懂，尤其是晶体结构这部分内容，非常的抽象微观，需要有一定的空间想象能力。晶体结构的抽象复杂性，对学生来说有一定的难度。因此，晶体化学学习的重点和难点，是如何使学生能真切地感知微观世界的精彩和奇妙。Diamond软件的引入可以将抽象复杂的东西直观形象地展现在学生面前，发展学生的空间想象能力和抽象思维能力。

Diamond软件是德国波恩大学Crystal Impact GbR公司开发研制的一个化学专业软件。利用该软件不仅能创建晶体模型，还能以各种形式（线状，球棍状或空间堆积状，多面体形式等）展示晶体模型，而且模型可以根据用户的需要自由旋转、移动和缩放，可以用着色方案对原子进行强调和渲染，也可以对晶体模型进行文字标注，同时记录其运动过程，制作成动画文件，在其他多媒体播放器中播放。其结果可以以BMP、GIF、JPGE等图片格式输出，同时也可以用复制粘贴命令将绘制的图片文件直接放入文档。由于这款软件没有复杂的规则，命令简单易操作，并且在操作与运行并不要求具备较多的计算机知识，因此，它可以很容易地被教师运用在教学中，提高教学的效率和质量。本文以Diamond 3.0a版本为例，通过构建Cu与CaF2两类晶体的空间点阵模型，来说明Diamond软件在《结构化学》晶体结构部分教学过程中的辅助作用。

2.利用Diamond软件构建晶体空间点阵

用相当点的方法可以确定晶胞的空间点阵。在晶体结构中确定相当点的位置，所选择的相当点需要满足两个条件：a.所选点所在位置的种类和空间位置相同，如位于某种质点的中心，或某个特定几何构型的中心等；b.所选点的周围环境（三维空间）相同，如在该点的相同方位和距离上有相同的质点和几何构型。因此，我们在借助Diamond软件构筑和判断空间点阵类型及有关信息的时候，最关键的一点也就是能够凭借上面的条件找到合适的相当点的位置，并成功用软件体现出来。我们选择了两类晶体实例：Cu与CaF2，它们分别代表了两种晶体类型：金属晶体和离子晶体，用Diamond软件演示如何构筑它们的空间点阵。

（1）利用Diamond软件构建金属晶体Cu的空间点阵

晶体Cu的晶体结构是由质点Cu原子构成的。在其晶体结构中，Cu原子采用典型的立方紧密堆积方式在三维空间进行排布。每个Cu原子的周围由12个Cu原子紧密相邻，即每个Cu原子的配位数是12，其周围的配位环境是完全相同的。我们就此可以判断，质点Cu原子的位置完全符合相当点的两个选择标准，我们可以把晶体Cu的相当点坐落在所有的Cu原子的位置上。

利用Diamond软件，我们可以很容易绘制出晶体Cu的空间点阵。菜单Build＼Fill＼Super Cell，弹出对话框，进行Super Cell的选择，点击OK确定。这样Super Cell中所有的质点Cu原子都显示在软件的图片之中。因为晶体Cu的结构中只有一种质点，而相当点位置坐落在质点Cu原子的位置上，所以就不需要进行相当点之外其他质点的删减了。这样我们就直接得到了晶体Cu的空间格子的示意图（图1）。从图中我们可以很明显地看出晶体Cu的空间点阵属于立方F格子形式。

图1. 晶体Cu的空间点阵示意图

（2）利用Diamond软件构建离子晶体CaF2的空间点阵

首先，用Diamond软件绘制晶体CaF2的一个晶胞。菜单Build＼Fill＼Unit Cell，晶体单胞中的所有质点就出现了，然后继续菜单Build＼Connect Atoms，质点就通过化学键连接起来了。这样就通过Diamond软件的绘制得到了晶体CaF2结构中一个单胞的球棍结构图（图2（a））。图2（a）中，黑色球是F-，白色球是Ca2+，之间的连线表示化学键，细灰色线是晶胞的界限。

然后，我们就在图中提供的信息的帮助下，选择合适的相当点位置。观察确认过程具体如下：先选择阴离子F-的位置作为相当点坐落的位置，观察其位置和环境是否满足相当点的条件。第一，阴离子F-是同属一种质点类型，满足a条件；第二，虽然每个阴离子F-的周围都有四个阳离子Ca2+与之配位，都形成正四面体的配位多面体，但是所有的正四面体配位体在三维空间的摆置方式却是不完全相同的，摆置方式分成两种情况。如图2（a）中所示，配位四面体与四面体在三维空间的伸展方式是不同的。所以阴离子F-不满足b条件。如此可知晶体CaF2结构中，相当点的位置是不可以坐落在所有阴离子F-的位置，只能选择配位环境完全一致的阴离子F-坐落。于是我们继续勘察阳离子Ca2+的条件是否满足相当点的选择：第一，很明显阳离子Ca2+是同属一种质点类型，满足a条件；第二，每个阳离子Ca2+的周围都有八个阴离子F-与之配位，形成立方体的配位多面体，而且所有立方体配位多面在三维空间的摆置方式完全相同，所以满足b条件。如此可知CaF2结构中，相当点的位置可以坐落在Ca2+的位置。

利用Diamond软件，我们可以很容易绘制出晶体CaF2的空间点阵。菜单Build＼Fill＼Super Cell，弹出对话框，进行Super Cell的选择，点击OK确定。这样Super Cell中所有的质点都显示在软件的图片之中，下面需要进行质点的删减。因为我们选择的相当点位置坐落在Ca2+的位置上，所以所有的F-必须删掉。菜单View＼Table＼Create Atoms，软件的左面部分就会出现Table of Create Atoms，从Table of Create Atoms中选中所有的F-，点击删除。完成后，图片中剩余的质点就可以作为空间点阵中的点阵点，我们就得到了晶体CaF2的空间格子的示意图（图2（b））。从图中我们可以很明显地看出CaF2的空间点阵亦属于立方F格子形式。

3.结语

总而言之，Diamond软件是一款功能强大、命令简单直接、操作方便快捷的画图软件。在结构化学的晶体结构部分中，点阵是一个非常模糊晦涩的概念，这部分的教学过程中，如果教师合理适度地引入Diamond软件辅助教学，将结构进行直观、方便的图形演示，把复杂的问题简单化，把抽象的问题形象化，就可以加深学生对晶体学知识的理解和认识，增强教学效果。

参考文献：

［1］温福山，周欣明，柳云骐，朱九芳.应用Diamond软件辅助《材料化学》课程教学［J］.计算机与应用化学，2008，25，（10）：1299.

［2］吴平伟，朱志斌，戴金辉.Diamond软件在晶体对称性教学中的应用－32点群晶体模型库的建立［J］.化学通报，2008，71，（3）：236.

［3］潘道皑，赵成大，郑栽兴. 物质结构［M］.北京：高等教育出版社，1989.

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