结构化学晶体结构部分教学中Diamond软件应用探讨

赵丹 张瑞娟

摘 要：本文通过详细分析如何使用Diamond软件构建金刚石的晶体结构，来说明Diamond软件在结构化学教学过程中的辅助应用。用形象的立体图像把抽象的原子结构展示给学生，克服传统教学中可视化差、形象不够直观的缺点，从而使深奥、抽象的结构化学课中原子、分子、晶体的微观结构部分的内容形象化、简单化，提高结构化学的课堂教学质量。

关键词：结构化学 教学 Diamond软件

中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0134-01

结构化学是化学其它各学科的理论基础，研究原子、分子和晶体的微观结构，探索物质的结构与性能之间的关系。由于它涉及的内容理论性强，且非常广泛、抽象，需要学生具有扎实的量子力学、群论、数学物理方程等知识。特别是在介绍原子、分子及晶体的微观结构时，由于无法通过肉眼进行直接观察微观结构，而且教师也很难用宏观的模型进行科学的描述，这就需要学生具有非常丰富的空间想象能力。传统的黑板演示的教学模式或者借助一些球棍实体模型教具帮助学生理解的教学方式，存在模型有限和难以表达一些抽象、复杂的空间构型的缺点，使学生缺乏形象化和空间化的思维环境。如何生动形象地进行化学物质微观结构的教学，是目前结构化学教学的一个重难点。

Diamond 是Crystal Impact GbR 公司开发的结晶化学作图软件，没有授权的单位和个人可以通过网站http：//crystalimpact.com/diamond/Default.htm下载免费试用版（Diamond Demonstration Version 3.2i），利用这一软件完全可以满足我们的教学需求。这款软件能把各种晶体的结构以三维图像的方式展示出来，把点阵、晶格、单胞、微观对称性、周期平移对称性等抽象的东西形象化，使教学过程变得更加清晰明了，把抽象的问题形象化，把复杂的问题简单化，以此加深学生对晶体学知识的理解和认识，这将大大提高课堂的教学水平，提高课堂讲授效果，也可进一步培养学生的求知欲，举一反三，一举两得。同时，由于这款软件的设计非常人性化，没有复杂的操作要求，不要求具备较多的计算机知识，它可以很容易地被学生接受。下文以Diamond 3.2i版本为例，通过典型的晶体结构，即金刚石晶体结构的构建，来说明Diamond软件在晶体化学教学过程中的辅助应用。金刚石的结构作为diamond软件的示例，保存在xx：＼Program Files＼Diamond 3＼Samples＼Minerals文件夹中，文件名为Diamond.dsf。下面具体介绍使用Diamond软件来构建金刚石晶体的结构。

（1）通过菜单操作：File—Open，选定Diamond.dsf，打开文件。

（2）绘制金刚石的一个晶胞结构。通过Diamond软件，可以很容易地绘制出金刚石的晶胞。具体做法如下：点击主窗口下面的快捷键destroy all，清空主窗口；然后，通过菜单Build—Fill—Unit Cell，建立一个晶胞。再通过菜单操作Build—Connect Atoms，使各个碳原子通过化学键连接起来。图中，每个灰色小球表示一个C原子，细黑线表示晶胞的边界。将鼠标箭头放在一个C原子上，就显示出这个C原子的分数坐标和占位信息。利用这一功能，可以写出金刚石晶体一个晶胞中8个原子的分数坐标：0，0，0（顶角原子）；1/2，1/2，0；1/2，0，1/2；0，1/2，1/2（三个面心原子）；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（四个分处晶胞四条体对角线上的原子）。

此外，将鼠标箭头放在一个C—C键上，显示出这个化学键的键长数据。通过鼠标左键点击主菜单最下面快捷键“Rotate”操作，左右、上下转动图示，全面观测金刚石晶体的三维立体结构。或者，通过菜单操作，Picture—View direction，从不同角度观测晶体，如x、y、z方向，或制定任意的（u、v、w）方向。

（3）查看晶体结构信息。在主菜单右侧的窗口中，点击“Date sheet”选项卡可以看到金刚石晶体的详细信息。General项中“ICSD-28862”表示金刚石在无机结晶学数据库“ICSD”中的编号；Bibliographic data项记录了这套晶体数据的出处，包括作者、发表刊物、发表时间；Phase data项中，符号“F d-3 m（227）-cubic”表示了金刚石晶体的空间群为第227号空间群“Fd-3 m”，晶系为立方晶系；Atomic parameters项显示了金刚石晶体的一个结晶学不对称单元的分数坐标和占位信息。点击“distances”选项卡，可以查看金刚石晶体中C—C键的键长，为1.54。点击“Powder pattern”选项卡，可以模拟出金刚石晶体的粉末衍射图，在0～90°范围内共两个峰，其晶面指数分别为（111）和（022）。

（4）绘制金刚石晶体的点阵结构。金刚石晶体属于面心立方晶格（F），根据点阵点的定义，在晶体结构中确定点阵点应遵循下面两条规则：（1）所选点所在位置的种类和空间位置完全相同，如位于某种原子的中心位置，或某个特定几何构型的面心、体心等；（2）所选点的周围环境完全相同，也就是说，在该点的相同方向和距离上有相同的原子。很明显，阳离子，在一个金刚石晶胞中，顶点的一个原子和面心的三个原子的种类和环境完全相同，成为一类点，而四个分处晶胞四条体对角线上的原子构成了另一类和环境完全相同的点。所以，应该把第一类点中一个点和第二类中一个点看成一对，并选择抽象成一个点阵点，这套点阵点的位置我们就可以选定为第一类的四个原子的位置，这就构成了金刚石的空间点阵。

然后利用Diamond 软件，绘制出金刚石的空间点阵。通过菜单操作Build—Fill—Super Cell，弹出对话框，选择“2×2×2 cells”，点击OK确定。这样一个8倍的晶胞就显示在主窗口中，进行原子的删减就可以得到金刚石的空间点阵，因为选择的点阵点位置位于顶点和面心位置上，所以把晶胞四条体对角线上的原子删掉就可以了。通过菜单操作View—Table—Create—Atoms，窗口右侧就会出现Table of Create Atoms，从中选中所有的第二类原子，即68～99号原子，点击删除。完成后，剩余的点就构成金刚石的空间点阵。

在科学教学方法广泛推广的今天，结构化学作为一门理论性极强的科学，如何用形象而生动的方式来进行教学，从而激发学生的学习兴趣，一直是这门课程教学的难点之一。本文通过详细展示Diamond软件构建金刚石的晶体结构，帮助学生更好地学习原子、分子和晶体的微观结构部分内容，不仅能使教学形象化，更能拓宽了学生的视野，激发学习兴趣。

参考文献

[1] 周薇薇，王凤武，陈永红.Diamond软件辅助《晶体化学》教学[J].淮南师范学院学报，2012，14（3）：90-92.

[2] 彭冬生.动画演示在《材料科学基础》教学中的应用[J].科技创新导报，2013（9）：158.

[3] Colin H.L.Kennard，邵美成.在化学系进行晶体学教学的经验与方案[J].大學化学，1989，4（4）：58-59.