化學(xué)結(jié)構(gòu)圖形在電腦中的制作方法

張雪嶺(商丘技師學(xué)院，河南 商丘 476000)

0 引言

化學(xué)中，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定著物質(zhì)的性質(zhì)，化學(xué)結(jié)構(gòu)圖形主要有：原子軌道、分子立體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、金屬非金屬單質(zhì)結(jié)構(gòu)等，在制作化學(xué)課件以及電子模型時(shí)，經(jīng)常要用到各種結(jié)構(gòu)圖形，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電腦繪圖已經(jīng)應(yīng)用到化學(xué)教學(xué)與研究中。電腦繪圖具有靈活性、精準(zhǔn)性、自動(dòng)性等特點(diǎn)，專業(yè)的圖形處理軟件除了可以方便地進(jìn)行對(duì)各類對(duì)象(圖形構(gòu)成要素)復(fù)制和再編輯以外，還可以依據(jù)參考線、坐標(biāo)線、網(wǎng)格線來(lái)精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的定位、縮放、旋轉(zhuǎn)、上色等操作，再加上各種濾鏡工具的使用，從而使化學(xué)結(jié)構(gòu)圖更加準(zhǔn)確、更加直觀、更加科學(xué)，也更加豐富多彩。Photoshop是一款性能強(qiáng)大的圖形圖像處理軟件,其所包含的選區(qū)、圖層、通道、路徑、濾鏡等工具，使其在繪制圖形圖像時(shí)更為方便。本文利用Photoshop繪制了有關(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)圖，能適用于有關(guān)課件的需要。

1 有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)模型的制作

1.1 凱庫(kù)勒模型制作

凱庫(kù)勒模型也稱為球棒模型，用不同顏色的小球代表各種原子，用短棒表示化學(xué)鍵，此處用黑球代表碳原子，淺色球代表氫原子。下面以甲烷分子為例，說(shuō)明其制作過(guò)程，其他分子凱庫(kù)勒模型的制作方法類似。

(1)建立背景為透明的文件。

(2)碳原子制作：使用＜Chrl＞+＜Alt＞+＜Shift＞+N 命令建立一個(gè)圖層，命名為“碳原子”。利用橢圓選框工具，按＜Shift＞鍵繪制一半徑40 px的正圓；利用漸變工具，選擇徑向漸變，設(shè)置漸變顏色從白到黑，從選區(qū)中心向外拖動(dòng)，繪制出一個(gè)碳原子，取消選區(qū)。

(3)氫原子制作：建立圖層，命名為“氫原子”，利用橢圓選框工具，繪制一個(gè)半徑20 px的正圓，使用“漸變工具—徑向漸變”，顏色從白到灰，從中心向外拖動(dòng)，取消選區(qū)；利用畫筆工具，大小3 px沿氫原子邊繪制一深灰色小棒，與氫原子合并。

(4)復(fù)制三個(gè)氫原子小棒圖層，使用移到工具將它們移到到碳原子周圍。調(diào)整圖層先后順序，使用自由變換命令，調(diào)整各氫原子的分布，使小棒指向碳原子中心，甲烷正常鍵角為109°28′，但由于透視原因，前面三個(gè)小棒夾角約為120°，有兩個(gè)氫原子圖層在碳原子上方。

1.2 斯陶特(Stuart)模型制作

斯陶特模型也稱比例模型，按照各原子的大小和鍵長(zhǎng)比例制作。下面以乙烯分子為例說(shuō)明制作過(guò)程。乙烯分子是平面型，兩個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子在同一個(gè)平面上，鍵角分別為121.6°和116.7°，碳碳鍵長(zhǎng)134 pm，碳?xì)滏I長(zhǎng)110 pm，根據(jù)此數(shù)據(jù)，制作乙烯比例模型。

(1)建立一個(gè)背景透明，大小為200*200 px文件。

(2)碳原子繪制：建立圖層，命名為碳原子，使用橢圓選框工具，按＜Shift＞鍵繪制半徑60 px的正圓；選擇“漸變工具—徑向漸變”，設(shè)置漸變顏色從白到黑，從選區(qū)左上角向右下拖動(dòng)，繪制出第一個(gè)碳原子。用矩形選框工具按＜Delete＞鍵刪除碳原子右側(cè)約1/4；使用＜Chrl＞+J命令，復(fù)制生成第二個(gè)碳原子，使用＜Chrl＞+T命令選“水平翻轉(zhuǎn)”，將其向右移動(dòng)使兩個(gè)碳原子相切,合并這兩個(gè)碳原子圖層。

(3)氫原子制作：建立圖層，命名為氫原子。使用橢圓選框工具，按＜Shift＞鍵繪制一半徑40 px的正圓，按照制作碳原子的漸變方法，向左上向右下拉一徑向漸變。然后使用矩形選框工具框選氫原子1/3處，使用＜Delete＞鍵刪除；按下＜Alt＞，拖動(dòng)鼠標(biāo)移動(dòng)并復(fù)制生成三個(gè)氫原子，使用＜Chrl＞+T變換命令，分別旋轉(zhuǎn)一定角度，然后將它們分別移動(dòng)到碳原子的四角。

2 原子軌道的制作

2.1 S軌道制作

1S軌道是一個(gè)以原子核為中心的球體。其制作過(guò)程：

(1)使用＜Chrl＞+＜Shift＞+N 命令新建圖層，按下＜Shift＞ 選擇橢圓選框工具繪一正圓，羽化值為2。

(2)利用漸變工具，選擇徑向漸變，設(shè)置漸變顏色從白到深灰，從選區(qū)中心向外拖動(dòng)，繪制出球形。

(3)使用“濾鏡”菜單，選擇“雜色-添加雜色-高斯分布”勾選“單色”，數(shù)量20。

(4)如果繪制2S軌道，則在1S軌道中間使用橢圓工具先給一個(gè)圓形路徑，再設(shè)置畫筆間距110%，然后對(duì)橢圓路徑進(jìn)行畫筆描邊，繪制一個(gè)虛線的圓，作為球節(jié)面。

2.2 P軌道制作

2P軌道呈啞鈴形，有三個(gè)彼此相互垂直PX、PY、PZ軌道，其制作過(guò)程：

(1)建立圖層，先繪制一個(gè)1S軌道，其操作見上。

(2)使用＜ctrl＞+T收縮球體大小使之適合圖片，復(fù)制該圖層，選中圖層副本，使用＜ctrl＞+m命令調(diào)整該圖層曲線，使之變亮，這樣兩個(gè)小球一個(gè)較暗一個(gè)較亮。使用“移動(dòng)”工具，使兩個(gè)球水平相切，形成啞鈴形，＜ctrl＞+E合并這兩個(gè)圖層形成P軌道形狀。

(3)復(fù)制兩次P軌道，此時(shí)共有三個(gè)P軌道，使用移動(dòng)工具分別左右移動(dòng)到合適位置，使用＜ctrl＞+T將其中兩個(gè)分別旋轉(zhuǎn)-90°、-45°。

(4)使用“直線”工具，勾選“箭頭—終點(diǎn)”繪制X、Y、Z 坐標(biāo)軸，將坐標(biāo)系復(fù)制二個(gè)，分別移到到對(duì)應(yīng)的P軌道處，調(diào)整圖層順序，使P軌道圖層位于對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸圖層之上。

2.3 苯環(huán)п電子軌道圖

(1)先繪制P軌道：建立一個(gè)圖層，使用圓角矩形工具，設(shè)置半徑40 px，繪制一細(xì)長(zhǎng)圓角矩形路徑，將路徑載入選區(qū)，使用“漸變工具”選線性漸變，顏色設(shè)置“黑-白-黑”， 按下＜Shift＞健拉線性漸變，取消選區(qū)；然后使用橢圓選框工具在此圖形中部繪制一橢圓選區(qū)，使用“濾鏡”-“扭曲”-“擠壓”命令，數(shù)量：100%，單擊“確定”，接著＜ctrl＞+F重復(fù)此濾鏡三次，制作出啞鈴型效果。使用“濾鏡”菜單-“雜色”-“添加雜色”，數(shù)量10。使用＜ctrl＞+J命令復(fù)制五個(gè)P軌道。

(2)建立圖層，選擇“多邊形工具”-“六邊形”，繪制一個(gè)六邊形路徑，設(shè)置畫筆大小：4 px，對(duì)路徑進(jìn)行“描邊”-“畫筆”，繪制出六邊形。

(3)使用移動(dòng)工具，把上述六個(gè)P軌道分別移動(dòng)到六邊形的節(jié)點(diǎn)上。

3 晶體結(jié)構(gòu)制作

離子晶體中陽(yáng)、陰離子在空間排列遵循一定規(guī)律，下面以CsCl型結(jié)構(gòu)為例，介紹晶體結(jié)構(gòu)的制作。

CsCl晶體的晶胞是正立方體，其中每個(gè)銫離子周圍有8個(gè)氯離子，每個(gè)氯離子周圍也同樣有8個(gè)銫離子。

(1)制作正方體：建立圖層，使用“多邊形”工具-“四邊形”繪制出正方形路徑，畫筆設(shè)置：大小4，間距180，使用此畫筆對(duì)正方形路徑描邊，制作出虛線正方形，復(fù)制五個(gè)，移動(dòng)到合適位置后，使用變換命令，分別對(duì)各個(gè)正方形進(jìn)行“縮放，斜切”操作，調(diào)整位置使之排成正方體結(jié)構(gòu)。

(2)制作氯離子：建立圖層，利用制作S軌道的方法，制作出氯離子球體，其中漸變可以采用“白到藍(lán)(藍(lán)參考顏色值10，10，200)”漸變。復(fù)制七個(gè)氯離子藍(lán)球，分別移動(dòng)到正四面體的8個(gè)角處，＜ctrl＞+G命令組合為氯離子組。

(3)制作銫離子：建立圖層，利用制作S軌道的方法，制作出銫離子球體，其中漸變顏色可以采用“白到紅(紅參考顏色值240，10，10)”，銫離子半徑小于氯離子。將銫離子放置在晶胞中央。

(4)直線繪制。將畫筆大小調(diào)整4，其他為默認(rèn)設(shè)置，前景色為黑，按下＜shift＞鍵畫出1條直線，復(fù)制7條，調(diào)整這些直線的長(zhǎng)短、角度和位置，使之將氯離子與銫離子連接起來(lái)。＜ctrl＞+G命令合成直線組。氯化絕晶胞結(jié)構(gòu)與圖層示意圖如圖1所示。

圖1 氯化絕晶胞結(jié)構(gòu)與圖層示意圖

4 金屬晶體結(jié)構(gòu)圖制作

金屬晶體是等徑圓球緊密堆積，有三種基本構(gòu)型：面心立方緊密堆積、六方緊密堆積和體心立方緊密堆積，下面以73737結(jié)構(gòu)的六方緊密堆積為例制作金屬晶體。

(1)繪制金屬原子：建立圖層，利用制作S軌道的方法，制作出金屬原子，其中漸變可以采用“白到紅(紅參考顏色值200，10，10)”漸變。復(fù)制六個(gè)原子，移動(dòng)球體，調(diào)整圖層順序，制作7個(gè)球體的原子圖層，使用＜ctrl＞+G命令組合，命名為“七原子組”。

(2)制作3個(gè)球體的原子層。將上一步制作的金屬原子小球復(fù)制三個(gè)，將此三球移動(dòng)緊密排列成三角形，使用＜ctrl＞+G命令成組，命名為“三原子組”。

(3)復(fù)制“七原子組”兩次。

(4)復(fù)制“三原子組”兩次。

(5)調(diào)整圖層組順序，將按照73737順序排列。

(6)使用＜ctrl＞+T命令，將每個(gè)圖層組進(jìn)行“透視”操作，遵循近大遠(yuǎn)小的原則，調(diào)整球體大小。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，Photoshop是一款性能優(yōu)越的圖像處理軟件，只要化學(xué)工作者多加探索，一定會(huì)給化學(xué)研究和教學(xué)帶來(lái)很大的便利。