GaussView軟件在分子和晶體結(jié)構(gòu)模擬中的使用探究

田亞利+張聰杰

摘要：在多媒體輔助教學(xué)下，為了使學(xué)生對(duì)分子和晶體的結(jié)構(gòu)有直觀的認(rèn)識(shí)，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的可視化呈現(xiàn)是非常有意義的。采用生成文件小但功能強(qiáng)大的GaussView圖形軟件對(duì)中學(xué)化學(xué)中一些典型的分子、晶體等進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模擬，通過(guò)與其他幾種化學(xué)作圖軟件進(jìn)行比較，凸顯了GaussView圖形軟件的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：GaussView軟件；中學(xué)化學(xué)；分子結(jié)構(gòu)；晶體結(jié)構(gòu)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）6–0090–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在中學(xué)化學(xué)教材中關(guān)于粒子微觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容占據(jù)了較大的比例，如初中化學(xué)內(nèi)容關(guān)于分子、原子、離子的概念，元素的概念等，再如高中化學(xué)內(nèi)容關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)、有機(jī)化合物以及晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等[1]。這類(lèi)知識(shí)在中學(xué)階段大致可以歸類(lèi)為分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)兩部分內(nèi)容。在化學(xué)學(xué)科中，物質(zhì)的性質(zhì)由物質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)決定[2]，因此，學(xué)生只有知道分子和晶體的幾何結(jié)構(gòu)以及原子和一些簡(jiǎn)單分子的軌道圖形才能更好地理解和掌握化學(xué)知識(shí)。

1 圖形軟件在中學(xué)化學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的全面發(fā)展，將圖形軟件作為一種信息資源輔助教學(xué)已經(jīng)成為一種新的教育理念。目前，已經(jīng)有許多圖形軟件應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，如GaussView、Chemoffice、Shockwave3D、Authorware等軟件，其中Shockwave3D軟件對(duì)教師的計(jì)算機(jī)水平要求較高[3]，在中學(xué)階段難以推廣；Chemoffice軟件在平面分子和3D分子的設(shè)計(jì)以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的繪制方面具有較大的優(yōu)勢(shì)[4]，但是該軟件不能繪制晶體結(jié)構(gòu)；Authorware軟件則在多媒體課件的制作方面有著強(qiáng)大的功能[5]，但對(duì)于分子結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)的模擬不夠精確。

由于分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)作為中學(xué)化學(xué)的難點(diǎn)，同時(shí)也是學(xué)生今后學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)。對(duì)于分子結(jié)構(gòu)的教學(xué)，目前CAI技術(shù)、GaussView軟件、Chemoffice軟件均可以實(shí)現(xiàn)其空間結(jié)構(gòu)的模擬，后兩者對(duì)分子結(jié)構(gòu)的模擬更加精確。比較而言，Chemoffice軟件更適合繪制復(fù)雜的有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)，尚沒(méi)有成熟的軟件使用。根據(jù)我們使用GaussView軟件的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該軟件在分子和晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面具有很多優(yōu)勢(shì)，且該軟件界面清晰、操作簡(jiǎn)單，較好地凸顯了其輔助特性。

2 Gaussview軟件介紹

GaussView軟件是Gaussion98計(jì)算程序的輔助軟件，該軟件最大的特點(diǎn)是軟件自身小且專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，其模版庫(kù)可視化效果好，生成文件小，操作簡(jiǎn)單、快速（如轉(zhuǎn)速快），便于學(xué)生觀察感知，特別有利于學(xué)生空間思維的培養(yǎng)，從而徹底改變學(xué)生對(duì)抽象概念認(rèn)知模糊的狀況，使教學(xué)過(guò)程變得簡(jiǎn)單、清晰，是目前理論化學(xué)首選的分子設(shè)計(jì)軟件[6]。

2.1 GaussView軟件的界面介紹

GaussView軟件主界面包括一大一小兩個(gè)窗口，前面紫色的窗口為繪圖窗口，見(jiàn)圖1；模型庫(kù)界面包括元素周期表、環(huán)狀官能團(tuán)、鏈狀官能團(tuán)三個(gè)界面，其可視化效果非常好，見(jiàn)圖2。

2.2 GaussView軟件的功能介紹

GaussView軟件最大的特點(diǎn)是模型庫(kù)清晰直觀，可以直接通過(guò)添加模型庫(kù)中的基團(tuán)構(gòu)型來(lái)繪制分子結(jié)構(gòu)，操作起來(lái)簡(jiǎn)單快速。具體來(lái)說(shuō)主要功能有幾點(diǎn)，一是快速而準(zhǔn)確地畫(huà)出各種分子及其過(guò)渡態(tài)的空間結(jié)構(gòu)，包括有效地呈現(xiàn)分子的同分異構(gòu)體，可以通過(guò)鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角設(shè)置功能來(lái)直觀地呈現(xiàn)分子的鍵長(zhǎng)、鍵角和二面角等參數(shù)；二是設(shè)計(jì)晶體結(jié)構(gòu)；三是顯示分子軌道，即顯示Gaussion98軟件對(duì)分子結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果[7]。在繪制微觀粒子空間構(gòu)型的時(shí)候可以利用其剪貼功能任意添加、刪除原子或者原子基團(tuán)，可以任意角度的旋轉(zhuǎn)粒子結(jié)構(gòu)，也可以在X、Y、Z軸方向直觀地查看粒子空間結(jié)構(gòu)。比較其他化學(xué)圖形軟件，GaussView軟件在分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的繪制方面有較大的優(yōu)勢(shì)。

3 GaussView軟件的實(shí)際應(yīng)用

3.1 GaussView軟件對(duì)分子結(jié)構(gòu)的繪制

對(duì)于分子結(jié)構(gòu)的繪制，目前中學(xué)化學(xué)教學(xué)中使用較多的是Chemoffice軟件。該軟件雖然在平面分子和3D分子的設(shè)計(jì)以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的繪制方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[8]，但對(duì)于分子結(jié)構(gòu)的繪制，由于其組件軟件Chem3D界面不清晰，所需基團(tuán)不能從模型庫(kù)直觀找到，而是需要根據(jù)官能團(tuán)名稱來(lái)查找，加大繪制難度；再者，繪制的分子結(jié)構(gòu)不能通過(guò)調(diào)整二面角來(lái)查看分子空間結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)的可控性較差[9]。

再如，使用GaussView軟件可設(shè)置分子的二面角，通過(guò)旋轉(zhuǎn)基團(tuán)可查看不同角度的分子結(jié)構(gòu)，圖4中“5”“6”“7”分別為任意二面角的乙烷分子結(jié)構(gòu)以及甲基基團(tuán)的交叉和重疊（二面角縱向結(jié)構(gòu)）。該軟件還可以任意替換原子或基團(tuán)繪制其他分子結(jié)構(gòu)。下圖5中“9”溴苯分子結(jié)構(gòu)是通過(guò)將“8”中苯分子中的任意一個(gè)氫原子替換為溴得來(lái)。該軟件還有自動(dòng)調(diào)整分子功能，使其變得更加規(guī)范。同樣用改變二面角和替換官能團(tuán)方法可繪制丁烷和環(huán)己烷的兩種不同結(jié)構(gòu)[10]，如圖6中“10～13”。

綜上所述，GaussView軟件在分子結(jié)構(gòu)的繪制方面有如下優(yōu)勢(shì)：一是模型庫(kù)界面清晰直觀，可直接用來(lái)繪制分子結(jié)構(gòu)；二是繪制方法多樣，除了直接繪制還可以通過(guò)替換官能團(tuán)來(lái)繪制分子結(jié)構(gòu)；三是可以通過(guò)調(diào)整分子的二面角來(lái)呈現(xiàn)不同角度的空間結(jié)構(gòu)。以上幾點(diǎn)是Chemoffice軟件所不具備的優(yōu)勢(shì)。

3.2 GaussView軟件對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的繪制

目前，在晶體結(jié)構(gòu)的繪制方面，雖然有許多軟件在使用，比如在結(jié)構(gòu)化學(xué)中通常使用CarIne Crystqallography、Materials Studio、diamond等軟件來(lái)繪制晶體結(jié)構(gòu)，但以上幾款軟件對(duì)于中學(xué)化學(xué)中簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的繪制來(lái)說(shuō)參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，安裝復(fù)雜，并且大部分軟件不支持中文，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)使用困難。所以，在中學(xué)化學(xué)晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)中，GaussView軟件更適合中學(xué)教師的使用。以下使用GaussView軟件來(lái)繪制晶體結(jié)構(gòu)，具體操作如下：

建立晶體結(jié)構(gòu)之前，首先查找晶體的空間群信息，空間群的標(biāo)記有Hermann–Mauguin記法或空間群序號(hào)（Space group number），如面心立方的H-M標(biāo)記為Fm-3m，空間群序號(hào)為225，打開(kāi)鏈接http：//www.webelements.com/gold/crystal_structure. html可查看晶體晶胞參數(shù)，本文以面心立方中的銅金屬晶體和氯化鈉離子晶體為例，建立二者的晶體結(jié)構(gòu)模型，查得

“Cu”晶胞參數(shù)

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”晶胞參數(shù)：

Spacegroup：Fm-3m（Spacegroupnumber：225）

Structure：ccp（cubicclose-packed）

原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)

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：新建一個(gè)文檔：File→New→Create molecule group；

Symmetry設(shè)置，lattice dimension（晶格大小）：three；最小晶格系統(tǒng)：cubic；空間群：225[Fm-3m]；Cell設(shè)置，celllengths、cellangles按照銅的晶胞參數(shù)設(shè)置；View設(shè)置（顯示所有邊界原子）；重復(fù)內(nèi)容顯示：normal；Content設(shè)置：添加銅原子（系統(tǒng)默認(rèn)為5個(gè)）進(jìn)行分?jǐn)?shù)坐標(biāo)設(shè)置；最后點(diǎn)擊Combine生成晶體結(jié)構(gòu)。下圖7中“14”為銅金屬晶體，“15～16”為不同角度氯化鈉晶體，其中紫色為鈉離子，綠色為氯離子。

從氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)中可以直觀地看到一個(gè)NaCl晶胞含有的Na+和Cl-的個(gè)數(shù)均為4個(gè)。以上是GaussView對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的繪制，而目前為止Chem3D對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的繪制只限于軟件本身模型庫(kù)中的少量子模型，對(duì)于種類(lèi)繁多的晶體結(jié)構(gòu)模型的繪制則沒(méi)法實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比可知，GaussView軟件在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別適合繪制微觀粒子的空間結(jié)構(gòu)模型，再加上該軟件操作簡(jiǎn)便快捷、安裝簡(jiǎn)單，對(duì)計(jì)算機(jī)水平要求較低，適合于中學(xué)階段的教學(xué)使用；雖然GaussView軟件在繪制晶體結(jié)構(gòu)方面對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)要求較高，但由于該軟件本身設(shè)計(jì)良好，繪制晶體結(jié)構(gòu)時(shí)只需知道晶體的空間群、晶胞參數(shù)、分?jǐn)?shù)坐標(biāo)等信息，這些信息可通過(guò)專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站查找，而其他軟件對(duì)計(jì)算機(jī)水平要求比較高，難以在中學(xué)階段使用。鑒于中學(xué)階段涉及到的分子結(jié)構(gòu)的教學(xué)比較簡(jiǎn)單，不涉及復(fù)雜的有機(jī)分子，且考慮到中學(xué)教師的計(jì)算機(jī)技能強(qiáng)弱的問(wèn)題，就分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)這兩塊教學(xué)來(lái)說(shuō)，GaussView軟件更適合在中學(xué)教學(xué)中使用，既便于教師快速操作使用，更便于學(xué)生感知。但該軟件本身也有一些缺陷，比如目前是非免費(fèi)使用軟件，普及使用有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

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