Transcript 结构化学 - 南开大学结构化学精品课程网站孙宏伟

《结构化学》多媒体
素材制作
Nankai University
§1 函数图(2D)制作
• 示意图
可选用各种绘图软件中曲线绘制工具，如Office的“绘图”工
具、Chemwin、CorelDraw等等，尽量制作成矢量图
• 2D函数图
可选用各种绘制函数图的软件，如Origin、Sigmaplot等
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示意图 例1—状态函数和概率
dx
||2
||2dx
x x+dx
本图参考Atkins “Atkins’ Physical Chemistry”
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自选图形—线条—曲线
绘制曲线
鼠标右键“编辑顶点”调整
画坐标、2条竖线、2箭头
自选图形—线条—任意多边形，
画出阴影部分
• 调整线粗细
• 加文本框注解
• 选上所有的对象，鼠标右键—
组合(也可^x剪切，选择性粘贴
为Windows元文件)
几个小技巧：画直线或箭头按Shift键容易画水平或垂直线；调整线长短时按Shift键
不改变线的方向；使用键盘↑↓←→键调整对象位置时，按Ctrl键可逐点移动
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示意图 例2—苯HMO能级
程序：Chemwin
• 选粗键，按Shift拉长
• 选择刚画好的键，按Ctrl复制两个到第二排
• 选择第二排两个键，^k(或“Arrange-Space
Objects”)排列对象，水平30点
• ^G将二个键组合为组
• 复制这两个二个键二次
• 复制第一个键，12221形式
• 全选(^A)， ^k，垂直排列对象30个点
• 删除中间两个键
• 鼠标右键T，输入a+b，字体更改为Symbol
• 复制到合适位置，更改为各能级值
• 加上电子、苯结构式




Chemwin使用可参考网站讲义《计算机在化学中的应用》
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函数图 例4—氢原子2s轨道径向分布函数图
程序：Origin
1 2
2 2
D(r )  r R2,0  r  2  r  2e  r
• 打开Origin
8
• 点击“New Graph”按钮
• Graph—Add Fuction Graph
• Plot Detail窗口，F1(x)处输入函数
x^2*(2-x)^2*exp(-x) /8 按OK
• 双击x轴和y轴，调整坐标范围
• 修饰，得到函数图
D(r)
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
5
10
15
r/a
Origin使用可参考网站讲义《计算机在化学中的应用》
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函数图 例3—氢原子dxy轨道角度部分函数图
程序：Origin
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15
d xy 
sin 2  sin 2
16
打开Origin
鼠标右击Data1窗口A(X)位置
选择Set Column Value
按右图输入列号范围(1-361)和公式(i-1)*pi/180
y
产生0~360°的弧度值
右击B(Y),设置列值为Y的函数值：
_
(15/pi)^0.5*0.25*sin(col(A)*2)
空白处鼠标右击，添加两列
右击C(Y)和D(Y)，分别设两列值为
col(B)*cos(col(a))与col(B)*sin(col(a))
+
右击C(Y)—set as X
选择C(X2)与D(Y2)，Plot Line按钮
鼠标右击Graph1窗口的“1”处，选择Layer Property，
设置纸宽高一致，显示比例相同
修饰图形
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+
x
_
§2 函数图(3D)制作
• 地形图(包括网格图，等高线图等)
可使用Surfer，Calc 3D, 等
• 轮廓图(如波函数轮廓图等)
可使用量子化学工具Atom Orbital、VMD、Gabedit、
GaussView、POVRAY等等
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地形图 例1.氢原子3s轨道波函数网格图
程序：Surfer
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打开Surfer
网格—函数
输入函数(放大了250倍)，确认
1
 3s 
27  18r  2r 2  e r / 3

81 3
z = (27-18*sqrt(x*x+y*y)+2*(x*x+y*y))*exp(-sqrt(x*x+y*y)/3)
•
•
•
地图—线框图—打开out.grd
双击线框图，调整查看角度，调整比例，不显
示基面
双击轴，将轴显示略去，直接拷贝即可得到网
格图，也可输出为WMF格式
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地形图 例2.氢原子3s轨道电子云黑点图
程序：Surfer
•
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•
打开Surfer
网格—函数
输入函数(放大了倍数)，设增量0.2确认
z = pow(((27-18*sqrt(x*x+y*y)+2*(x*x+y*y))*exp(-sqrt(x*x+y*y)/3)),2)
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地图—等值面图—打开out.grd
双击等值面图，“常规”，选“填充、平滑等值线”
等级，设等值线等级
填充—前景色，将0设为白色，20设为黑色
线条—式样为不可见
标注—设到边界距离5in(不需要标注)
不显示坐标即可得到电子云黑点图
由于矢量图太大，建议输出位图
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地形图 例3.二维势箱波函数图
程序：Calc3D
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打开Calc3D
下拉菜单选择3D-Data
函数形式选择Z(x,y)
函数栏添函数(8为调整函数值大小)
8*sin(pi*x)*sin(2*pi*y)
设置x,y范围为0~1
单击Calculate按钮，得到函数图
调整z方向显示比例
设置表面颜色
设置是否显示坐标和箱子
鼠标右键可选择图形编辑形式
可保存为WMF格式
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轮廓图 例4.三维势箱波函数图
程序：SurfX3D
•
•
打开SurfX3D
New—f(x,y,z)=0
F(x,y,z)=abs(C1*C2*C3)-0.1
C1=sin(2*x*pi)
C2=sin(2*y*pi)
C3=sin(2*z*pi)
•
设置显示表面颜色
R=C1*C2*C3*1000
G=0
B=-C1*C2*C3*1000
•
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•
设置x,y,z范围0~1，Mesh Size为50
调整显示x,y,z方向的线，线数20
点Draw按钮画图
^C即可拷贝图片，也可输出为VRML和
POVRAY格式
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• 轮廓图 例5. 原子轨道轮廓图
程序：Orbital Viewer
• 单击New按钮，默认画出4fz3轨道
• 单击Orbital按钮“=”
• n=3，l=d，m=0，Done显示3dz2轨道
• 设置渲染的形式、点数、颜色等各种
参数，可得到好的效果
• 可存为位图或VRML1.0格式
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• 轮廓图 例6. 原子轨道轮廓图
程序：POVRAY
• 作为专业绘图程序，POVRAY《结构化学》
素材显得非常简单，但效果非常好，下面是
主要部分(参考3pz.pov)
• 注意POVRAY是左手坐标系，需要更换
Camera
//设置相机参数
light_source
//设置光源
Background
//设置背景颜色
union {
sphere{ <0,0,0>, 1 pigment { rgbt <1,1,1,0> } finish {F } }
//原子核
object {//函数轮廓
isosurface{
function { 0.001*z*(6-sqrt(pow(x,2)+pow(y,2)+pow(z,2)))*exp(-sqrt(pow(x,2)+pow(y,2)+pow(z,2))/3)+0.0007 }
contained_by { sphere {<0,0,0> Axis-1} }
accuracy 0.2
max_gradient 0.02
open
} pigment
{ rgbt <1,0,0,0.0> } finish {F } }
cylinder { <0,-Axis,0>, <0,Axis,0>, 0.18/Scale pigment { rgb <1.0,1.0,0.0> } finish {F } } //圆柱
cone { <0,Axis,0>, 0.72/Scale <0,Axis+2.4/Scale,0>, 0 pigment { rgb <1.0,1.0,0.0> } finish {F } } // 圆锥
//写坐标符号
text { ttf "timesi.ttf" "x" 0.1 0.1 pigment { rgb <1.0,1.0,0.0> }
3/Scale,0,Axis-1> rotate <-90,0,0> }
scale Scale //设置放大比例
rotate <0,-3.3,0> //设置转动角度
translate< 0, 0, 1 >//移动位置
}
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finish {F} scale 3.6/Scale translate<-
• 轮廓图 例7. 分子轨道轨道轮廓图
程序：Hyperchem(商业软件)
• 专业分子模拟程序
• 构建苯分子
• Setup选择半经验量子化学计算方法AM1
• Compute进行优化
• Compute—Orbitals
• 修饰分子和分子轨道图
• 可直接拷贝位图
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• 轮廓图 例8. 分子轨道轨道轮廓图
程序：Gaussian GaussView(商业软件)
• 专业量子化学计算程序
• Gaussian计算苯分子(AM1) %chk=ben.chk
• GaussView打开ben.chk
• Result—Surface
• Cubes Actions—New Cube
• 选择分子轨道，序号11
• Surface Actions—New Surface 显示苯的分子
轨道
• 可存为BMP文件
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• 轮廓图 例9. 分子轨道轨道轮廓图
程序：Arguslab(Free)
• 专业分子模拟程序
• 构建苯分子，并保存(必须)
• Calculation选择Optimize Geometry
• QM选择半经验量子化学方法AM1
• Start进行优化
• Calculation选择Energy
• 选择Surface性质-选择分子轨道13~18 OK Start
• Surface-Make Surfaces
• 鼠标将MO18拖到Grid窗口，Creat
• Currently Defined Surface中选Simple Surface
• 按Toggle Display、OK
• 可以存BMP或POV文件
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• 轮廓图 例10. 分子轨道轨道轮廓图
程序：Gabedit(Free)
• 专业分子模拟显示程序
• 可以读各种量子化学软件的输出文件
• 右图通过Gaussian输出的CH4分子轨道Cube文
件绘制
• 可以存BMP或POV文件
BMP
POVRAY
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§3 分子结构图(3D)制作
• 直接使用各种分子模拟显示软件
Vewerlite，Gabedit, VMD，Argulab…
• POVRAY
先采用分子模拟软件输出POV文件，再用POVRAY渲染
• 分子对称元素
在标准分子结构上加对称元素
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• 分子结构制作
ArgusLab
Hyperchem
Viewer Pro
Molkel
GaussView
VMD
Gabedit
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• 例1.ViewerLite+POVRAY制作分子3D结构
程序：ViewerLite+POVRAY
• 专业显示软件+专业绘图软件
• ViewerLite打开环己烷D3d-1.msv
• 调整显示角度至满意
• File—Save as POV格式D3d-1.pov
• POVRAY打开D3d-1.pov
• 左侧下拉菜单选择图片大小
• 按Run按钮完成渲染(结果为BMP文件)
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• 例2. POVRAY制作分子3D结构效果修饰
• “camera {” 后加 “orthographic” 正交视
图
• 调整光源，增加第一个光源的亮度，并
设置不显示阴影，二、三光源显示阴影
• 调整模型显示效果，增加光滑度
• Run得到下面图1的效果
• 调整颜色效果可得图2、图3
图1
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图2
图3
• 例3. POVRAY制作分子对称元素
程序：
GaussView+ViewerLite+POVRAY
• 为添加对称元素，需要标准的坐标
• GaussView打开分子结构数据
• Edit—Point Group选择Enable Point Symmetry
按Symmetrize对称化(显示点群正确)
• 保存输出文件为MOL格式
• ViewLite打开，选择显示模式，保存POV
• POVRAY中，添加对称元素
• 生成BMP图片
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§4 晶体结构图(3D)制作
• 晶胞结构等
直接使用ViewerLite
ViewerLite+POVRAY
• 晶体宏观外型
WinXMorph
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• 晶胞结构 例1. 制作晶胞3D结构
程序：ViewerLite+POVRAY
• 与分子结构程序相似，只增加了晶胞
显示
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• 晶体宏观外型 例2. 晶体宏观外型制作
程序：WinXMorph(Free 注册)
指定晶体的点群、晶面指标等即可得
到各种典型晶体外型
• 打开WinXMorph
• File—New
• Symmetry 选择点群-m3(Th) Accept
• Add Face 加210面，删除110面，得到
Th典型的五角十二面体，可保存为
BMP、POV、VRML格式
• 若改为321面，得到偏方复十二面体
• 若将点群改为23(T)则可得到五角三四
面体；若改为43(O)则可得五角三八面
体
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§5 动画视频制作
• POVRAY
利用POVRAY的功能，可先准备好所有的对象，
设计随视频各帧的变化，对象的变化，渲染一连
串的图片，用视频工具连接即可
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• 例1 分子轨道形成过程
• 使用clock为时间变量
• Povray.ini中设置
Initial_Frame = 1
Final_Frame =16
• 运行POVRAY，产生一系列图象
• 用视频软件连接，得到动画
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• 例2 简正振动模式
• 使用Gaussian对苯分子进行优化
和频率分析
• GaussView找到苯呼吸振动的频率
• 从Gaussian输出文件中截取苯的
坐标和振动位移，据此，可制作
苯呼吸振动的动画
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§6 结构化学素材获得
• 南开大学《结构化学》课程网站
http://struchem.nankai.edu.cn
http://202.113.231.157
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南开大学《结构化学》课程网站
量子力学
一、二、三维势箱、圆周势箱波函数图 (图片
VRML)
原子结构
径向、径向密度、径向分布、角度部分、电
子云角度分布、等值线图 、网格图 、电子云
网格图 、电子云黑点图(图片)以及原子轨道
轮廓图(动画 VRML)
共价键基础
各种分子轨道形成过程轮廓图(动画)
H2+ 分子轨道函数图(VRML)
CH4、H2O、HF、O2分子轨道轮廓图(VRML)
HMO理论
直链、环共轭多烯HMO轨道能级和轮廓图
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分子点群
各分子点群代表分子(动画 VRML 结构数据)
晶体宏观对称性
各点群代表晶体外型(VRML)
晶体微观对称性
螺旋轴、滑移面 (动画、VRML)
金属晶体
A1~A4晶胞、堆积、空隙等(动画、结构数据、
VRML)
离子晶体
典型二元离子晶体(动画、结构数据、VRML)
其它晶体(结构数据)
南开晶体库
根据南开大学化学系结构组实物模型制作
(VRML)
• PD Dr. Stefan Immel
http://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/index.html
Tutorials部分包含大量教学用的视频和图片
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Reactions
Hydrocarbons
Chirality
Symmetry
Orbitals
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• The Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC)
http://www.ccdc.cam.ac.uk/
• Inorganic Crystal Structure Database
http://icsd.ill.eu/icsd/
• RCSB Protein Data Bank
http://www.rcsb.org/
• The Worldwide Protein Data Bank
http://www.wwpdb.org/
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