Transcript 结构化学 - 南开大学结构化学精品课程网站孙宏伟

多媒体技术在《结构化学》课程
中的应用
孙宏伟
[email protected]
http://struchem.nankai.edu.cn
南开大学化学学院
Nankai University
• Part 1《结构化学》多媒体的使用
• Part 2《结构化学》多媒体的制作
• Part 3《结构化学》多媒体素材制作
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Part 1《结构化学》课程中
多媒体的使用
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§1《结构化学》讲授难点
• 基本概念多，涉及课程基础多
• 电子结构部分有大量相对比较抽象的理论
概念和问题，同学们不易理解
• 空间结构部分要在有限的课时中使同学们
熟悉大量分子和晶体的三维结构，不易建
立空间概念，不易掌握
• 课时与内容的矛盾
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§2《结构》课堂使用多媒体优点
• 图示和背景知识→抽象概念的理解
• 标准函数图和3D插件→波函数性质
• 动画、交互插件→分子、晶体结构
• 减少板书，增加讲解时间→课时少
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§3 南开多媒体使用的历程
2001年前，全部板书，空间部分带模型
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2002年，开始使用多媒体教学
• 氢原子波函数电子云图（图片，Origin, Surfer）
• 分子对称性(Symapps)
• 晶体结构(WebLabViewer)
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2003年，部分使用多媒体教学
Orbital Viewer
Symapps
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WebLabViewer
2004年 多媒体
2/3
PovRay
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2005年 多媒体
90%
PovRay
CorelDraw
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2006年 全部采用多媒体，规范格式 增加动画
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2007年~现在 逐年修改，更改为9章
VRML
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§4 演示空间结构的两个利器
• Symapps 6.0
• Discovery Studio ViewerLite 5.0
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Symapps 6.0
• 集成在ChemWindows 6.0中
安装文件：17M
• 显示分子3D结构(效果并不好)
• 内置MM2力场，可将2D结构转为3D模型
• 计算分子点群，显示对称元素
• 支持链接文件类型直接打开
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Symapps 6.0
支持输入文件格式
支持输出文件格式
• .hin HyperChem
• .xyz
• .ent .pdb PDB
• .pdb
• .mol MDL
• .mop .mpc Mopac
• .sma Symapps
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• .sma
Symapps 6.0
简单应用示例
• 在ChemWindows 绘制环己烷
• 选择工具选择环己烷
• Other菜单选择Symapps
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Symapps 6.0
• 单击计算3D结构按钮
得到优化后的环己烷
• 选择球棍模型按钮
显示球棍模型
• 单击计算点群按钮
出现参数对话框，选OK，给
出计算点群结果
• 双击点群，显示对称元素
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Symapps 6.0
• 鼠标在3D工具栏拖动，可
将分子进行旋转、平移、
放大或缩小
• 选择对称元素按钮，可选
择性地选择显示某种对称
元素
• 保存为.sma格式
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Symapps 6.0
• Symapps 6.0提供了44个Sample文件涉及以
下点群：
C2 C2h C2v C3v C4v Ci Cs
D2d D2h D3 D3d D3h D4h D5h D5d D6h
S4 Td Oh Ih
C:\Program Files (x86)\Bio-Rad
Laboratories\SymApps\Samples
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Symapps课件应用实例
使用超链接打开Symapps可观察Dn群中C2轴位置
N
三乙二胺合钴离子
N
N
Co
N
N
N
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扭曲烷(twistane)
Symapps课件应用实例
Td群
正四面体构型的分子
全部对称元素：
4C3, 3S4, 6
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Symapps新版本KnowItAll
优点：
• 显示改进
• 输出视频动画(对称
操作)
缺点：
• 无法使用链接
KnowItAll 8.3
安装文件：93M
Academic Edition FREE 注册激活
http://www.knowitall.com/academic/default.asp
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ViewerLite 5.0
• 安装文件小 5.7M
• 高水准分子显示功能
• 对晶体、蛋白质核酸有特殊显示功能
• 支持输入文件格式多
• 可直接输出较高水平的图片
• 支持输出专业3D渲染软件POVRAY
• 支持链接文件类型直接打开
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ViewerLite 5.0
支持输入文件格式
• .msv (Viewer binary file format
• .pdb .ent (Brookhaven Protein
Data Bank)
• .mol .sdf .sd .mdl (Molecular
Design, Ltd. [MDL])
• .car (Accelrys, Insight II)
• .csd .fdat .dat (Cambridge
Structural Database
Crystallographic files)
• .mol2 (Tripos)
• ,msf (Accelrys, QUANTA)
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•
•
•
•
•
•
•
•
.msi (Accelrys, Cerius2)
.cpd (Accelrys, Catalyst)
.chm (Accelrys, Catalyst Query)
.cif (Crystallographic
Information File)
.xyz (generic)
.skc (MDL, ISIS)
.grd (Accelrys, Insight II Grid
File)
.wvc (Viewer Command File)
ViewerLite 5.0
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ViewerLite 5.0
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ViewerLite 5.0
简单应用示例1 分子结构显示
• 打开SymApps构建的环己烷
• 另存为XYZ格式：cyclohexane.xyz
• Viewerlite打开cyclohexane.xyz
• 单击显示样式按钮
可选择分子模型的样式
• 左工具栏调整模型角度、大小和位置
选
按Shift键可绕垂直屏幕的轴旋转
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ViewerLite 5.0
• View—Option可调整整个显
示的参数，如可将显示质量
设为Ultrahigh，调整光源位
置等等
• 保存文件为msv格式，各种
显示参数，包括观察角度均
保留。
• 也可保存图片，可设图片大
小，得到质量较好的图片(建
议bmp格式)
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ViewerLite 5.0
View—Option
• 可调整背景颜色
• 可设置depth cue 用雾状效果分清原子前后位置
• 可设置透视效果
Tools
• Hydrogen 可隐藏/显示 增加/移除 H原子
• Monitor 可标记原子间距离、键角、二面角，氢键等
• Surface可绘制分子表面
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ViewerLite 5.0
简单应用示例2 晶体结构显示 立方ZnS
注：pdb格式的晶体数据文件可从网上获得，也可自己编辑
• 打开ZnS(c).pdb
• 打开Display Style
Atom选择Ball and Stick，
Cell选择line (红色)
• 调整角度，设置效果光源等
• 保存为.msv格式
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ViewerLite 5.0
简单应用示例3 晶体结构显示 TiO2
• 打开TiO2.pdb
• Display Style—Atom选择Scaled Ball and Stick
• 存在2个问题：
其一，顶点Ti-Ti间显示有键，可选择该键，按Del删除
其二，离子半径显示不合理 Ti4+(0.603Å)，O2-(1.38Å)
Edit—Select，元素选择O，显示样式调整球比例为0.5
同样选择Ti，调整球比例为0.25，两离子比例相当
• 保存为.msv格式
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ViewerLite 5.0
应用示例4 多晶胞显示等 TiO2
• Tools—Crystal Cell—Preference
选择a b c两方向均为2个单位，得到8晶胞
• 选择O，设CPK模式，显示O堆积
• 重新改为单晶胞
• 设显示模式Polydron
可显示Ti的配位多面体，显示
八面体空隙位置
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ViewerLite 5.0课件应用实例
如何从ABCABC堆积取出立方面心
晶胞体对角线方向，依次显示各层密置层(Del删除选择的一
层，^z恢复撤消操作)
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ViewerLite 5.0课件应用实例
如何演示CaF2阴离子堆积
8晶胞
选择Ca原子
不显示Ca原子
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§5 VRML应用
Virtual Reality Modeling Language
描述三维造型与交互环境的简单的文本语言
优点：
• 体积小，简单的仅几K，网络传输迅速
• 支持交互、可从多角度观察
• 可以制作动画
•
可方便找到Free制作软件
• 插件 Cortona3D
http://www.parallelgraphics.com/products/cortona/
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VRML课堂应用实例
• 3D函数图显示
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4dz2
4dxy
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4dx2-y2
4dxz
4dyz
12(A2+B2)/2
成键轨道上，电子在两核间出现几率多(比单独两个
氢原子时)，电子与两核吸引增加，电子吸引着两核。电
子屏蔽了两核之间的排斥力，使排斥位能减小，这就是
原子间存在较强的相互作用的原因。
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6
4
5
2
3
1
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• 分子结构显示
D3h群分子多呈平面正三角形、正三棱柱或三角双锥结构
N
N
三乙烯二胺
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冰烷(iceane)
• 晶体外型实例
Oh
4 2
3
m m
例：CaF2(萤石)
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立方晶系
• 动画实例
正四面体空隙： 4个
正八面体空隙: 2个
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3
5 2 1 1 2 1 7
0,0, ; 0,0, ; , , ; , ,
8
8 3 3 8 3 3 8
1 2 1 1 2 3
, , ; , ,
3 3 4 3 3 4
§6 制作、使用多媒体课件的体会
一、页面设计
• 同级标题字号、字体大小一致
• 每页标题位置固定
• 多个平行图形大小一致，位置对齐
• 模板选择适合上课场合
• 页面布局合理，各种符号、公式规范
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二、字体/字号
N
宋体
楷体
黑体
仿宋
B
宋体
楷体
黑体
仿宋
B/S 宋体
楷体
黑体
仿宋
18磅字体
24磅字体
32磅字体 36磅字体
28磅字体
40磅字体
44磅字体 48磅字体
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建议选用楷
体黑体,字号
在24-40磅间
三、背景/颜色搭配
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
各种颜色背景
建议对比明显，课堂尽可能选用浅色背景，深色字
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实物粒子的波粒二象性
德布罗意在1923年9-10月一连写了3篇短文，
并于1924年向巴黎大学理学院提交了题为《量子
理论的研究》的博士论文。在这些论文中，他提
出了所有的物质粒子都具有波粒二象性这个具有
深远意义的假设。
1929年获得Nobel物理奖
模型→现有理论无法解释→假设→新理论的诞生
德布罗意(Prince Victor de Broglie)出生在法国一个显赫的贵族家庭，中学毕业后进入巴黎大学攻读历史。18
岁大学毕业(1910)，在哥哥影响下对物理发生兴趣。一战后师从朗之万(Paul Langevin) ，其博士论文中想象之
大胆，使朗之万也认为想象过分，“这个博士生的想法近似荒诞，但是其中物理思想展现的很是完美动人。”
论文副本寄给爱因斯坦，爱因斯坦看出德布罗意的理论揭示了光子和物质粒子之间的对称性，立即意识到该
思想的深远意义，他热情地复信给朗之万，称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角”。 1929年凭此论文获
得诺贝尔奖。
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实物粒子的波粒二象性
德布罗意在1923年9-10月一连写了3篇短文，
并于1924年向巴黎大学理学院提交了题为《量子
理论的研究》的博士论文。在这些论文中，他提
出了所有的物质粒子都具有波粒二象性这个具有
深远意义的假设。
1929年获得Nobel物理奖
模型→现有理论无法解释→假设→新理论的诞生
德布罗意(Prince Victor de Broglie)出生在法国一个显赫的贵族家庭，中学毕业后进入巴黎大学攻读历史。18
岁大学毕业(1910)，在哥哥影响下对物理发生兴趣。一战后师从朗之万(Paul Langevin) ，其博士论文中想象之
大胆，使朗之万也认为想象过分，“这个博士生的想法近似荒诞，但是其中物理思想展现的很是完美动人。”
论文副本寄给爱因斯坦，爱因斯坦看出德布罗意的理论揭示了光子和物质粒子之间的对称性，立即意识到该
思想的深远意义，他热情地复信给朗之万，称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角”。 1929年凭此论文获
得诺贝尔奖。
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四、动作按钮
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使用动作按钮可以快速在幻灯片间切换
五、动画应用/幻灯片切换
+
-
+
b
a
O
建议只应用必要动画，并尽可能避免设置慢速。
幻灯片切换不建议使用动画，文字逐行/逐字出现慎用
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CaF2型
• 所属晶系：立方
• 等同离子套数：
3(2套F-, 1套Ca++)
• 空间点阵型式：
立方F
• 结构基元内容：
2个F-, 1个Ca++
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CaF2型
一个晶胞中的
结构基元数 ： 4
离子数和分数坐标：
4个Ca++:
8个F-:
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1 1 1 1 1 1
0,0,0; , ,0; ,0, ; 0, ,
2 2 2 2 2 2
1 1 1 3 3 1 3 1 3 1 3 3
, , ; , , ; , , ; , ,
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
3 3 3 1 1 3 1 3 1 3 1 1
, , ; , , ; , , ; , ,
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
CaF2型
负离子堆积方式： 立方简单
正负离子配位数比： 8:4
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正离子所占空隙
类
型
立方体
分
数
4/8=1/2
共8个
空隙位置 中心1个(空)
、数目及 顶点1个(81/8)(占)
棱心3个(121/4) (空)
占有位 置 面心3个(61/2) (占)
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椅式环己烷
C3
C2
d
判断过程：
1. 有无高次轴： 有C3
2. 有无多个高次轴: 无
3. 有无C2C3 ：有属二 面体群
4. 有无h : 无
5. 有无d : 有D3d
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六、需要注意的问题
•
尽可能使用通用字体
•
尽量使用通用Office版本(如2003)
•
如果使用公式编辑器，机器上必须有Symbol/MT
Extra两种字体，否则易出现乱码
•
不要使用动画声音(如连接音箱)
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