第3章-Diamond

第三章Diamond化学工具软件3.1Diamond的运行及其在化学教育应用中的主要功能3.1.1Diamond的下载、安装与启动下载地址：公司开发研制的一个化学专业应用软件，主要用于绘制和探索晶体结构,也可以用于分子结构和材料科学的物质特征显示。金刚石的晶体结构模型铜的晶体结构模型CaCl2的晶体结构模型3.1.2Diamond在化学教育应用中的主要功能●准确构建晶体结构。●形象地展示晶体，便于从各个方位观察晶体的结构。●可对晶体进行标注和美化。●可测晶体的键长、键角和扭矩。●通过学习该软件，可以了解更多的有关晶体结构的知识。●可将晶体结构的运动过程制成动画，并保存为.AVI文件。各类工作场景介绍找到Diamond3.0软件的安装路径，打开Diamond3.0软件中名为Tutorial的文件夹，里面存有五个.CIF文件阅读Diamond3.0软件的操作手册(格式为.PDF)导入Diamond3.0软件中的Sample\Minerals文件夹里作为范例的39个已绘制好的晶体结构根据晶体的结构参数可以创建出Diamond软件中所没有提供的晶体结构3.2Diamond软件基础知识晶体（crystal）：是由原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列构成的固体物质。晶体的相关知识金刚石晶体性质均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。•晶体的分类：(1)按来源分为：天然晶体（宝石、冰、砂子等）人工晶体（各种人工晶体材料等）(2)按化学键分：金属晶体(Cu)、离子晶体(NaCl)、分子晶体(冰)、原子晶体(金刚石)、混合型晶体(石墨)等。(3)按晶胞形状分：7个晶系(CrystalSystem)•立方晶系(Cubic)；•三方晶系(Trigonal)；•四方晶系(Tetragonal)；•正交晶系(Orthohornbic)；•单斜晶系(Monoclinic)；•六方晶系(Hexagonal)；•三斜晶系(Triclinic)•研究晶体结构的周期性规律有两种方式:晶胞(Cell)：按实际重复周期将晶体划分为一个个完全相同且可并置的平行六面体作为晶体的基本单位。实际上,晶体即是晶胞在三维空间无限地重复构成的.点阵(Lattice)：将周期性重复排布的内容抽象成几何学上的点，然后考察这些点在空间的阵式。•晶胞有两大要素：(1)晶胞的形状、大小晶胞的形状是平行六面体,由三个基本向量a、b、c表达，三个基本向量的长度及彼此之间的夹角α、β、γ称为晶胞参数。晶胞结构图αβγbcabcabacbacbacbacbac立方晶系(Cubic)a=b=c,===90°四方(Tetragonal)a=bc,===90°正交(Orthohornbic)abc,===90°三方(Trigonal)a=b=c,==90°a=bc,==90°=120°六方(Hexagonal)a=bc,==90°,=120°单斜(Monoclinic)abc==90°,90°三斜(Triclinic)abc===90°7个晶系的晶胞参数(2)晶胞的内容包括晶胞中原子的种类、数目和在晶胞中的相对位置。原子在晶胞中的坐标参数（x,y,z）的意义是指由晶胞原点指向原子的矢量r可以用单位矢量和坐标参数表示为r=xa+yb+zc。由于在晶胞内，x,y,z≤1，故也称其为分数坐标。注意：晶体中原子的坐标参数是以晶胞的三个轴作坐标轴，以三个轴的轴长作为坐标轴的单位。当原点位置改变或选取的晶轴改变，原子坐标参数也会改变。•空间群(SpaceGroup)：——晶体内部结构中全部对称要素的集合。晶体结构具有空间点阵式的周期结构，点阵结构的空间对称操作群称为空间群。一切晶体结构中总共只能有230种不同的对称要素组合方式，即230个空间群。它是由俄国结晶学家费多洛夫和德国结晶学家薛弗利斯（ArturMoritzSchoenflies）于1890至1891年间各自独立地先后推导得出来的。每个空间群的记号可用Schonflies记号或国际记号或两种结合使用。Diamond构建晶体模型的基本步骤：•确定构建哪个晶体的模型•收集资料（查找该晶体的晶胞参数和晶体中原子的坐标参数）•在Diamond软件中建模（在各对话框中输入相关数据）•在Diamond软件的操作场景中对晶体模型进行修改、美化、标注和观察•现场教学或将晶体模型的三维文件导出（图片或网页格式）场景主要工具栏(调用：菜单View/Toobars)6个:StandardVideoTransformPictureMeasureMove常用工具及功能按钮介绍(表3-1)在Structure场景下可创建多个Picture图片NewblankPicture【实例3-1】在Diamond3.0软件中创建NaCl晶体结构。•不能以原有格式保存•Window/start回到开始场景注：改变背景颜色：Picture/Layout…/Background【实例3-2】在Diamond3.0软件中创建SiO2的晶体结构。•为突出石英晶体的规则外型，可以创建多面体结构以Si为中心原子选择晶胞范围晶体信息栏无机晶体结构数据库（ICSD）Findit软件无机晶体结构数据库（TheInorganicCrystalStructureDatabase，简称ICSD）。由德国的FIZ（FachinformationszentrumKarlsruhe）和TheGmelinInstitute(Frankfurt)联合编辑。它收集并提供到目前为止所有试验测定的、除了金属和合金以外、不含C–H键的无机物晶体结构的信息，包括化学名和化学式、矿物名和相名称、晶胞参数、空间群、原子坐标、热参数、位置占位度、R因子及有关文献等各种信息。该数据库从1913年开始出版，至今已包含近10万条化合物目录。每年更新两次，每次更新会增加2000种新化合物，所有的数据都是由专家记录并且经过几次的修正，是国际最权威的无机晶体结构数据库。ICSD3.4晶体结构的展示与美化★晶体模型的展示形式•鼠标右键，在弹出的菜单中选择Model•在创建晶体时，在原子显示类型对话框中进行设置。•选择菜单picture/ModelandRadii命令•使用位于场景下方的图标，在其下拉菜单中进行选择。★消除多面体:Build/Destroy/Polyhedra命令晶体模型转换时注意:•由多面体可直接转换成Space-filling模式;•由多面体不可直接转换成Standard和Wires/Sticks模式,需消除多面体。★测量键长、键角和扭矩【实例3-3】为实例3-2中所创建的石英SiO2多面体晶体结构分成几个原子组，然后以不同的模式进行展示。★对原子或键进行编辑:•对任意原子进行选取,单击鼠标右键则会弹出相应的对话框,可对其进行剪切、复制、删除及编辑等操作。•双击所选中的原子，可以进入该原子的设计对话框(AtomDesign),在此对话框中，可以修改所选原子的代表模式、颜色和透明度以及原子边框的颜色和形式（实线或虚线等）。★晶体结构添加文字和标注:在工作场景中任意选中一对象，然后右击鼠标，在Add栏中选取Text…或选择Objects/Text…命令★为晶体添加多面体结构:Build/Polyhedra/AddPolyhedra…命令或鼠标右键/Add/Polyhedra…【实例3-4】为实例3-1中所创建的NaCl晶胞添加上多面体结构。3.5特殊功能介绍3.5.1将晶体结构制成动画3.5.2为晶体结构设置材质和相应的彩色背景3.5.3在Diamond软件中观看分子结构3.5.1将晶体结构制成动画Tools/Videosequence命令可以以AVI文件格式保存，也可保存为单张图片。3.5.2为晶体结构设置材质和相应的彩色背景注意:•只有下载并安装了POV-Ray软件，Diamond软件中的材质和彩色背景编辑功能才会被击活。•确定晶体的投影模式(Central中心投影):选择picture/Representation…/Projection命令中心投影法CentralProjection平行投影法(正、斜投影）ParallelProjection物体投射线投影投影中心3.结构图片的预览和导出：(1)Tools/POV-Ray命令/Preview…(2)Tools/POV-Ray命令/RenderIntoBitmap…1.为原子设置特殊材质（1）选择ModelandRadii命令,确定晶体的表现模式（2）选择picture/Atomdesign命令,对选中的某一类原子进行设置:Material按钮;POV-Ray选项(选第二个选项Usepre-defined……)3.为晶体结构布置彩色背景：(确定晶体的投影模式为Central中心投影)Tools/POV-Ray命令/GlobeSettings…(设置背景、地面等)3.5.3在Diamond软件中观看分子结构——Picture工具栏的使用【实例3-7】在Diamond3.0软件中展示并观察Diamond3.0软件内置的pyrene.cif文件所代表的分子晶体。(Open/Tutorial/pyrene.cif芘,嵌二萘)•直接得到分子结构•按钮可以显示出一个完整晶胞范围内所有原子。•连接原子按钮（该晶胞中所有本应存在的化学键都显现出来，并将所有的相应原子连接起来。）•Picture/ViewingDirection…选择投射方向•Objects/Planes/CreatePlaneThroughAtoms…为选中分子(SelectMolecule)创建平面•Tool/Calculate/AngleBetweenPlanes…同时测量二者间的夹角和距离利用Planes分析晶胞面上原子（Cu）：Objects/Plane/CreateLatticePlane…移动平面：~/ShiftPlane(先点击TableOfPlanes”栏，选择平面）消除平面：View/Table/Plane或点击右侧出现“TableOfPlanes”栏，选择平面后鼠标右键delete【实例3-8】试在Diamond3.0软件中展示并观察五氧化二磷分子晶体的结构，并为其添加多面体结构。五氧化二磷分子晶体的结构原图位于Diamond2.1版本软件（路径为Diamond2\Samples\Tutorial\）的P4O10.cry文件安装Diamond2.1三种打开导入方式:1）Creatapictureautomaticaly(直接自动打开文件中所保存的结构图形)2）LaunchthePictureCreationAssistant(启用创建图形的辅助对话框)3）Createablankpicture(创建空白图形)★若要清楚了解五氧化二磷分子晶体的连接情况，选择Createablankpicture(创建空白图形):显示一个晶胞中所有原子将相互有关联的原子连接起来逐步显示所创建原子的周围连接情况。创建第一个原子得到文件中所保存的原始结构图形直接得到分子结构Picture工具栏的使用Olivine橄榄石化学通式是R2[SiO4]，晶体属正交（斜方）晶系的一族岛状结构硅酸盐矿物的总称。因常呈橄榄绿色而得名。化学式中的R主要为二价阳离子镁、铁、锰。用于冶金、珠宝业。Topaz黄玉化学组成为Al2[SiO4][F，OH]2，晶体属正交（斜方）晶系的岛状结构硅酸盐矿物。用于硅酸盐工业。※结合Diamond软件，利用化学知识，可加深对有关矿物晶体的了解。利用Diamond软件对晶体结构的展示Open/Diamond3/S