GaussView软件在分子和晶体结构模拟中的使用探究

田亚利+张聪杰

摘要：在多媒体辅助教学下，为了使学生对分子和晶体的结构有直观的认识，在教学过程中对微观结构的可视化呈现是非常有意义的。采用生成文件小但功能强大的GaussView图形软件对中学化学中一些典型的分子、晶体等进行结构的模拟，通过与其他几种化学作图软件进行比较，凸显了GaussView图形软件的优越性。

关键词：GaussView软件；中学化学；分子结构；晶体结构

文章编号：1005–6629（2015）6–0090–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

在中学化学教材中关于粒子微观结构的教学内容占据了较大的比例，如初中化学内容关于分子、原子、离子的概念，元素的概念等，再如高中化学内容关于物质结构、有机化合物以及晶体结构与性质等[1]。这类知识在中学阶段大致可以归类为分子结构和晶体结构两部分内容。在化学学科中，物质的性质由物质的几何结构和电子结构决定[2]，因此，学生只有知道分子和晶体的几何结构以及原子和一些简单分子的轨道图形才能更好地理解和掌握化学知识。

1 图形软件在中学化学教育教学中的应用现状

随着信息技术的全面发展，将图形软件作为一种信息资源辅助教学已经成为一种新的教育理念。目前，已经有许多图形软件应用于中学化学教学中，如GaussView、Chemoffice、Shockwave3D、Authorware等软件，其中Shockwave3D软件对教师的计算机水平要求较高[3]，在中学阶段难以推广；Chemoffice软件在平面分子和3D分子的设计以及化学实验装置的绘制方面具有较大的优势[4]，但是该软件不能绘制晶体结构；Authorware软件则在多媒体课件的制作方面有着强大的功能[5]，但对于分子结构及晶体结构的模拟不够精确。

由于分子结构和晶体结构作为中学化学的难点，同时也是学生今后学习有机化学和结构化学的基础。对于分子结构的教学，目前CAI技术、GaussView软件、Chemoffice软件均可以实现其空间结构的模拟，后两者对分子结构的模拟更加精确。比较而言，Chemoffice软件更适合绘制复杂的有机分子的结构以及化学实验装置。对于晶体结构的教学，尚没有成熟的软件使用。根据我们使用GaussView软件的经验，发现该软件在分子和晶体结构的设计方面具有很多优势，且该软件界面清晰、操作简单，较好地凸显了其辅助特性。

2 Gaussview软件介绍

GaussView软件是Gaussion98计算程序的辅助软件，该软件最大的特点是软件自身小且专业性强，其模版库可视化效果好，生成文件小，操作简单、快速（如转速快），便于学生观察感知，特别有利于学生空间思维的培养，从而彻底改变学生对抽象概念认知模糊的状况，使教学过程变得简单、清晰，是目前理论化学首选的分子设计软件[6]。

2.1 GaussView软件的界面介绍

GaussView软件主界面包括一大一小两个窗口，前面紫色的窗口为绘图窗口，见图1；模型库界面包括元素周期表、环状官能团、链状官能团三个界面，其可视化效果非常好，见图2。

2.2 GaussView软件的功能介绍

GaussView软件最大的特点是模型库清晰直观，可以直接通过添加模型库中的基团构型来绘制分子结构，操作起来简单快速。具体来说主要功能有几点，一是快速而准确地画出各种分子及其过渡态的空间结构，包括有效地呈现分子的同分异构体，可以通过键长、键角、二面角设置功能来直观地呈现分子的键长、键角和二面角等参数；二是设计晶体结构；三是显示分子轨道，即显示Gaussion98软件对分子结构的计算结果[7]。在绘制微观粒子空间构型的时候可以利用其剪贴功能任意添加、删除原子或者原子基团，可以任意角度的旋转粒子结构，也可以在X、Y、Z轴方向直观地查看粒子空间结构。比较其他化学图形软件，GaussView软件在分子结构和晶体结构的绘制方面有较大的优势。

3 GaussView软件的实际应用

3.1 GaussView软件对分子结构的绘制

对于分子结构的绘制，目前中学化学教学中使用较多的是Chemoffice软件。该软件虽然在平面分子和3D分子的设计以及化学实验装置的绘制方面具有一定的优势[8]，但对于分子结构的绘制，由于其组件软件Chem3D界面不清晰，所需基团不能从模型库直观找到，而是需要根据官能团名称来查找，加大绘制难度；再者，绘制的分子结构不能通过调整二面角来查看分子空间结构，分子结构的可控性较差[9]。

再如，使用GaussView软件可设置分子的二面角，通过旋转基团可查看不同角度的分子结构，图4中“5”“6”“7”分别为任意二面角的乙烷分子结构以及甲基基团的交叉和重叠（二面角纵向结构）。该软件还可以任意替换原子或基团绘制其他分子结构。下图5中“9”溴苯分子结构是通过将“8”中苯分子中的任意一个氢原子替换为溴得来。该软件还有自动调整分子功能，使其变得更加规范。同样用改变二面角和替换官能团方法可绘制丁烷和环己烷的两种不同结构[10]，如图6中“10～13”。

综上所述，GaussView软件在分子结构的绘制方面有如下优势：一是模型库界面清晰直观，可直接用来绘制分子结构；二是绘制方法多样，除了直接绘制还可以通过替换官能团来绘制分子结构；三是可以通过调整分子的二面角来呈现不同角度的空间结构。以上几点是Chemoffice软件所不具备的优势。

3.2 GaussView软件对晶体结构的绘制

目前，在晶体结构的绘制方面，虽然有许多软件在使用，比如在结构化学中通常使用CarIne Crystqallography、Materials Studio、diamond等软件来绘制晶体结构，但以上几款软件对于中学化学中简单晶体结构的绘制来说参数设置复杂，安装复杂，并且大部分软件不支持中文，对于初学者来说使用困难。所以，在中学化学晶体结构的教学中，GaussView软件更适合中学教师的使用。以下使用GaussView软件来绘制晶体结构，具体操作如下：

建立晶体结构之前，首先查找晶体的空间群信息，空间群的标记有Hermann–Mauguin记法或空间群序号（Space group number），如面心立方的H-M标记为Fm-3m，空间群序号为225，打开链接http：//www.webelements.com/gold/crystal_structure. html可查看晶体晶胞参数，本文以面心立方中的铜金属晶体和氯化钠离子晶体为例，建立二者的晶体结构模型，查得

“Cu”晶胞参数

Spacegroup：Fm-3m（Spacegroupnumber：225）

Structure：ccp（cubicclose-packed）

a：361.49pm b：361.49pm c：361.49pm

α：90.000° β：90.000° γ：90.000°

“NaCl”晶胞参数：

Spacegroup：Fm-3m（Spacegroupnumber：225）

Structure：ccp（cubicclose-packed）

原子分数坐标

A：（0，0，0）、（1，1/2，1/2）、（1/2，0，1/2）、（1/2，1/2，0）

B：（1/2，0，0）、（0，1/2，0）、（0，0，1/2）、（1/2，1/2，1/2）

第一步：新建一个文档：File→New→Create molecule group；

Symmetry设置，lattice dimension（晶格大小）：three；最小晶格系统：cubic；空间群：225[Fm-3m]；Cell设置，celllengths、cellangles按照铜的晶胞参数设置；View设置（显示所有边界原子）；重复内容显示：normal；Content设置：添加铜原子（系统默认为5个）进行分数坐标设置；最后点击Combine生成晶体结构。下图7中“14”为铜金属晶体，“15～16”为不同角度氯化钠晶体，其中紫色为钠离子，绿色为氯离子。

从氯化钠晶体结构中可以直观地看到一个NaCl晶胞含有的Na+和Cl-的个数均为4个。以上是GaussView对晶体结构的绘制，而目前为止Chem3D对晶体结构的绘制只限于软件本身模型库中的少量子模型，对于种类繁多的晶体结构模型的绘制则没法实现。

4 结论

通过对比可知，GaussView软件在中学化学教学中有其独特优势，特别适合绘制微观粒子的空间结构模型，再加上该软件操作简便快捷、安装简单，对计算机水平要求较低，适合于中学阶段的教学使用；虽然GaussView软件在绘制晶体结构方面对结构化学专业知识要求较高，但由于该软件本身设计良好，绘制晶体结构时只需知道晶体的空间群、晶胞参数、分数坐标等信息，这些信息可通过专业网站查找，而其他软件对计算机水平要求比较高，难以在中学阶段使用。鉴于中学阶段涉及到的分子结构的教学比较简单，不涉及复杂的有机分子，且考虑到中学教师的计算机技能强弱的问题，就分子结构和晶体结构这两块教学来说，GaussView软件更适合在中学教学中使用，既便于教师快速操作使用，更便于学生感知。但该软件本身也有一些缺陷，比如目前是非免费使用软件，普及使用有待于进一步改进。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2011.

[2]中华人民共和国教育部制定.普通高中信息技术课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[3]王清华. Shockwave3D三维动画技术在化学教学中的尝试[J].化学教学，2004，（11）：38～40.

[4]王灵，胡乔生. ChemBioOffice2010在化学教学中的应用[J].软件导刊（教育技术），2010，（8）：87～89.

[5]孙鸿. Authorware在中学化学教学中的应用[J].株洲师范高等专科学校学报，2005，10（5）：89～90.

[6][7]张翼. Gaussian98和Gaussview在中学化学教学中的简单应用[J].化学教学，2005，（5）：47～49.

[8]刘芬芬.三种工具软件在化学教学中的应用探究[D].西安：陕西师范大学硕士学位论文，2013.

[9]陈兰美. Chem3D在有机化学教学中的应用[J].广东医学院学报，2009，27（6）：712～714.

[10]李晓飞，仝艳，苑娟，杨焕平. GaussView软件在有机化学多媒体教学中的应用[J].大学化学，2007，22（2）：38～41.