Diamond软件辅助《晶体化学》教学

周薇薇，王凤武，陈永红（淮南师范学院化学与化工系，安徽淮南 232001）

Diamond软件辅助《晶体化学》教学

周薇薇，王凤武，陈永红
（淮南师范学院化学与化工系，安徽淮南 232001）

以闪锌矿ZnS晶体结构为例，阐述Diamond软件在《晶体化学》课程教学中的辅助应用。Diamond软件可以构建闪锌矿ZnS晶体结构的球棍模型图，用形象的立体图像把抽象的晶体结构展示给学生，还可以显示ZnS的空间点阵、离子（原子）坐标、配位多面体、配位多面体的堆积方式等信息，从而形象地表述教学内容，极大地丰富教学手段，有效地提升教学质量。

Diamond软件；闪锌矿ZnS；空间点阵；配位多面体

1 引言

Diamond是Crystal Impact GbR公司开发研制的一款化学软件。Diamond可以画出晶体结构的球棍模型图、密堆积、线形图、热椭球图和立体图，也可以用于晶体局部结构的绘制、编辑。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。该软件还可以对构建的晶体结构进行转动、放大、缩小等操作，同时记录其运动过程，制成动画文件，在其他多媒体播放器中播放。由于这款软件没有复杂的规则，并且在操作与运行并不要求具备较多的计算机知识，它可以很容易地被教师运用在教学的过程中，以提高教学的效果和质量。

晶体化学是研究晶体在原子水平上的结构理论，揭示晶体的化学组成、结构和性能三者之间的内在联系以及有关原理的化学分支学科。晶体化学原理涉及键型、构型以及它们随组成而变异的规律，其原理的表达主要通过组成晶体结构的原子、离子的数量关系、大小关系和作用力的本质及其变异等要素来进行。晶体是由原子、分子、离子在空间按一定规律周期重复的排列的固体物质，晶体中原子、分子或离子的排列具有三维空间的周期性，隔一定的距离重复出现，这种周期性规律是晶体结构最基本的特征。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。本文以Diamond3.0a版本为例，通过构建闪锌矿ZnS的晶体结构，来说明Diamond软件在晶体化学教学过程中的辅助作用。

2 利用Diamond软件构建闪锌矿ZnS晶体结构模型

首先用Diamond软件绘制闪锌矿ZnS晶体结构的一个晶胞。菜单Build＼Fill＼UnitCell，晶体单胞中的所有质点就出现了，然后继续菜单Build＼ConnectAtoms，质点就通过化学键连接起来了。这样就通过Diamond软件的绘制得到了闪锌矿ZnS晶体结构中一个单胞的球棍结构图（图1）。图1中，黑色球是Zn2+，白色球是S2-，之间的连线表示化学键，细黑线是晶胞的界限。

图1 闪锌矿ZnS晶体结构的一个晶胞

（1）空间格子类型

用相当点的方法可以确定闪锌矿晶胞是一立方面心格子（F）。根据在晶体结构中确定相当点的两个条件：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。观察确认过程具体如下：选择阳离子Zn2+的位置作为相当点座落的位置，观察其位置和环境是否满足相当点的条件。第一，很明显阳离子Zn2+是同属一种质点类型，满足a条件；第二，每个阳离子Zn2+的周围都有四个阴离子S2-与之配位，形成正四面体的配位多面体，而且所有正四面体配位体在三维空间的摆置方式完全相同，所以满足b条件。如此可知闪锌矿晶体结构中，相当点的位置可以座落在Zn2+的位置。

利用Diamond软件，可以很容易绘制出闪锌矿ZnS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座落在Zn2+的位置上，所以所有的S2-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S2-，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，我们就得到了闪锌矿ZnS的空间格子的示意图（图2（a））。从图中我们可以很明显地看出闪锌矿ZnS的空间点阵属于立方F格子形式。另外还可以手动连接其余的晶胞边界，使图片更加清晰明朗（图2（b））。

另外，如果选择阴离子S2-作为相当点的座位位置的话，软件操作是相同的，并且会产生相同的点阵类型结果。

图2 闪锌矿ZnS晶体结构点阵图

（2）离子（原子）坐标

把闪锌矿ZnS晶胞的一个顶点座落在立方晶轴的原点上，如图3所示。令图3中的a0=1，计算出4个Zn和4个S的结构坐标如下：

4Zn：

以上是获得离子（原子）坐标的一种方法，对闪锌矿ZnS这样的简单结构可以使用，对一些复杂结构就不好使用。但是无论结构和成分如何复杂，我们都可以在Diamond软件中直接获得离子（原子）坐标。在Diamond软件中，直接把鼠标移到要研究的质点之上，鼠标旁边就可以显示有关这个质点的一些有用信息，而需要的离子（原子）坐标也可以直接得到，如图3中所。图3显示的是选中一个阳离子Zn2+与一个阴离子S2-的离子坐标。

图3 Diamond软件显示闪锌矿晶胞原子坐标示意图

（3）堆积方式

讨论堆积方式是为了更好地理解和掌握晶体结构特征的方法之一，不必过多考虑晶体的化学键性和阴阳离子的半径。闪锌矿的结构可以理解为：阳离子Zn2+做立方最紧密堆积，阴离子S2-充填在半数的四面体空隙中。这样可以使学生们容易掌握闪锌矿晶体结构的基本特征。

（4）利用Polyhedron分析配位数和配位多面体

用Diamond软件画出闪锌矿ZnS结构，菜单Picture＼Polyhedron Designs，弹出对话框，进行多面体的设计，可以设计多面体的颜色，边界线颜色，透明度等等。多面体设计好了之后，继续进行菜单Build＼Polyhedron＼Add Polyhedra，弹出对话框，选择多面体的中心原子基团跟配位原子基团，点击OK确定，闪锌矿ZnS晶体结构的配位多面体图就绘制出来了（图4）。

图4（a）显示S2-最紧邻有4个Zn2+与之配位，故Zn2+的配位数是4，其阴离子配位多面体是四面体[SZn4]；同样，每个Zn2+周围有4个S2-与之配位，其阳离子配位多面体是四面体[ZnS4]（图4（b））。

图4 闪锌矿ZnS晶体结构阴、阳离子配位多面体图

（5）配位多面体的链接方式

通过晶体化学知识已知，如果阴、阳离子相同，则晶体的配位多面体结构形式是一样的；如果阴、阳离子配位多面体不相同，则晶体的阴、阳离子配位多面体结构形式是不相同的。闪锌矿ZnS的多面体堆积方式可在Diamond软件中很容易的分析得到。把ZnS的结构信息输入Diamond软件中，通过多面体的设计，画出四面体[ZnS4]的多面体堆积图（图5（a）），在图中，可以看出所有的[ZnS4]四面体是采用共顶点的连接方式连接起来，构成闪锌矿晶体的三维结构的；同样，变换闪锌矿结构中的配位多面体，由四面体[ZnS4]换为四面体[SZn4]，其同样是采用共顶点相连的方式连接（图5（b））。

图5 闪锌矿ZnS晶体结构阴、阳离子配位多面体堆积图

3 结论

总之，Diamond是一款功能丰富、操作方便简捷的软件。它能对晶体结构进行直观、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，加深了学生对晶体学知识的理解和认识。对晶体化学教师而言，Diamond可以有效地辅助教学，提高课堂讲授效果。

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[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）：236-238

[3]何涌，雷新荣.结晶化学[M].北京：化学工业出版社，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

安徽省高校人才培养模式创新实验区项目（2009cxsyq024）；安徽省高校省级教学团队建设项目（20100904）

周薇薇（1981-），女，淮南师范学院化学与化工系讲师，博士，主要从事功能配合物的研究。