GaussView軟件在分子和晶體結構模擬中的使用探究

田亞利+張聰杰

摘要：在多媒體輔助教學下，為了使學生對分子和晶體的結構有直觀的認識，在教學過程中對微觀結構的可視化呈現是非常有意義的。采用生成文件小但功能強大的GaussView圖形軟件對中學化學中一些典型的分子、晶體等進行結構的模擬，通過與其他幾種化學作圖軟件進行比較，凸顯了GaussView圖形軟件的優越性。

關鍵詞：GaussView軟件；中學化學；分子結構；晶體結構

文章編號：1005–6629（2015）6–0090–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在中學化學教材中關于粒子微觀結構的教學內容占據了較大的比例，如初中化學內容關于分子、原子、離子的概念，元素的概念等，再如高中化學內容關于物質結構、有機化合物以及晶體結構與性質等[1]。這類知識在中學階段大致可以歸類為分子結構和晶體結構兩部分內容。在化學學科中，物質的性質由物質的幾何結構和電子結構決定[2]，因此，學生只有知道分子和晶體的幾何結構以及原子和一些簡單分子的軌道圖形才能更好地理解和掌握化學知識。

1 圖形軟件在中學化學教育教學中的應用現狀

隨著信息技術的全面發展，將圖形軟件作為一種信息資源輔助教學已經成為一種新的教育理念。目前，已經有許多圖形軟件應用于中學化學教學中，如GaussView、Chemoffice、Shockwave3D、Authorware等軟件，其中Shockwave3D軟件對教師的計算機水平要求較高[3]，在中學階段難以推廣；Chemoffice軟件在平面分子和3D分子的設計以及化學實驗裝置的繪制方面具有較大的優勢[4]，但是該軟件不能繪制晶體結構；Authorware軟件則在多媒體課件的制作方面有著強大的功能[5]，但對于分子結構及晶體結構的模擬不夠精確。

由于分子結構和晶體結構作為中學化學的難點，同時也是學生今后學習有機化學和結構化學的基礎。對于分子結構的教學，目前CAI技術、GaussView軟件、Chemoffice軟件均可以實現其空間結構的模擬，后兩者對分子結構的模擬更加精確。比較而言，Chemoffice軟件更適合繪制復雜的有機分子的結構以及化學實驗裝置。對于晶體結構的教學，尚沒有成熟的軟件使用。根據我們使用GaussView軟件的經驗，發現該軟件在分子和晶體結構的設計方面具有很多優勢，且該軟件界面清晰、操作簡單，較好地凸顯了其輔助特性。

2 Gaussview軟件介紹

GaussView軟件是Gaussion98計算程序的輔助軟件，該軟件最大的特點是軟件自身小且專業性強，其模版庫可視化效果好，生成文件小，操作簡單、快速（如轉速快），便于學生觀察感知，特別有利于學生空間思維的培養，從而徹底改變學生對抽象概念認知模糊的狀況，使教學過程變得簡單、清晰，是目前理論化學首選的分子設計軟件[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窗口，前面紫色的窗口為繪圖窗口，見圖1；模型庫界面包括元素周期表、環狀官能團、鏈狀官能團三個界面，其可視化效果非常好，見圖2。

2.2 GaussView軟件的功能介紹

GaussView軟件最大的特點是模型庫清晰直觀，可以直接通過添加模型庫中的基團構型來繪制分子結構，操作起來簡單快速。具體來說主要功能有幾點，一是快速而準確地畫出各種分子及其過渡態的空間結構，包括有效地呈現分子的同分異構體，可以通過鍵長、鍵角、二面角設置功能來直觀地呈現分子的鍵長、鍵角和二面角等參數；二是設計晶體結構；三是顯示分子軌道，即顯示Gaussion98軟件對分子結構的計算結果[7]。在繪制微觀粒子空間構型的時候可以利用其剪貼功能任意添加、刪除原子或者原子基團，可以任意角度的旋轉粒子結構，也可以在X、Y、Z軸方向直觀地查看粒子空間結構。比較其他化學圖形軟件，GaussView軟件在分子結構和晶體結構的繪制方面有較大的優勢。

3 GaussView軟件的實際應用

3.1 GaussView軟件對分子結構的繪制

對于分子結構的繪制，目前中學化學教學中使用較多的是Chemoffice軟件。該軟件雖然在平面分子和3D分子的設計以及化學實驗裝置的繪制方面具有一定的優勢[8]，但對于分子結構的繪制，由于其組件軟件Chem3D界面不清晰，所需基團不能從模型庫直觀找到，而是需要根據官能團名稱來查找，加大繪制難度；再者，繪制的分子結構不能通過調整二面角來查看分子空間結構，分子結構的可控性較差[9]。

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

綜上所述，GaussView軟件在分子結構的繪制方面有如下優勢：一是模型庫界面清晰直觀，可直接用來繪制分子結構；二是繪制方法多樣，除了直接繪制還可以通過替換官能團來繪制分子結構；三是可以通過調整分子的二面角來呈現不同角度的空間結構。以上幾點是Chemoffice軟件所不具備的優勢。

3.2 GaussView軟件對晶體結構的繪制

目前，在晶體結構的繪制方面，雖然有許多軟件在使用，比如在結構化學中通常使用CarIne Crystqallography、Materials Studio、diamond等軟件來繪制晶體結構，但以上幾款軟件對于中學化學中簡單晶體結構的繪制來說參數設置復雜，安裝復雜，并且大部分軟件不支持中文，對于初學者來說使用困難。所以，在中學化學晶體結構的教學中，GaussView軟件更適合中學教師的使用。以下使用GaussView軟件來繪制晶體結構，具體操作如下：

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

“Cu”晶胞參數

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：

Spacegroup：Fm-3m（Spacegroupnumber：225）

Structure：ccp（cubicclose-packed）

原子分數坐標

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：新建一個文檔：File→New→Create molecule group；

Symmetry設置，lattice dimension（晶格大小）：three；最小晶格系統：cubic；空間群：225[Fm-3m]；Cell設置，celllengths、cellangles按照銅的晶胞參數設置；View設置（顯示所有邊界原子）；重復內容顯示：normal；Content設置：添加銅原子（系統默認為5個）進行分數坐標設置；最后點擊Combine生成晶體結構。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。

從氯化鈉晶體結構中可以直觀地看到一個NaCl晶胞含有的Na+和Cl-的個數均為4個。以上是GaussView對晶體結構的繪制，而目前為止Chem3D對晶體結構的繪制只限于軟件本身模型庫中的少量子模型，對于種類繁多的晶體結構模型的繪制則沒法實現。

4 結論

通過對比可知，GaussView軟件在中學化學教學中有其獨特優勢，特別適合繪制微觀粒子的空間結構模型，再加上該軟件操作簡便快捷、安裝簡單，對計算機水平要求較低，適合于中學階段的教學使用；雖然GaussView軟件在繪制晶體結構方面對結構化學專業知識要求較高，但由于該軟件本身設計良好，繪制晶體結構時只需知道晶體的空間群、晶胞參數、分數坐標等信息，這些信息可通過專業網站查找，而其他軟件對計算機水平要求比較高，難以在中學階段使用。鑒于中學階段涉及到的分子結構的教學比較簡單，不涉及復雜的有機分子，且考慮到中學教師的計算機技能強弱的問題，就分子結構和晶體結構這兩塊教學來說，GaussView軟件更適合在中學教學中使用，既便于教師快速操作使用，更便于學生感知。但該軟件本身也有一些缺陷，比如目前是非免費使用軟件，普及使用有待于進一步改進。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011.

[2]中華人民共和國教育部制定.普通高中信息技術課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[3]王清華. Shockwave3D三維動畫技術在化學教學中的嘗試[J].化學教學，2004，（11）：38～40.

[4]王靈，胡喬生. ChemBioOffice2010在化學教學中的應用[J].軟件導刊（教育技術），2010，（8）：87～89.

[5]孫鴻. Authorware在中學化學教學中的應用[J].株洲師范高等專科學校學報，2005，10（5）：89～90.

[6][7]張翼. Gaussian98和Gaussview在中學化學教學中的簡單應用[J].化學教學，2005，（5）：47～49.

[8]劉芬芬.三種工具軟件在化學教學中的應用探究[D].西安：陜西師范大學碩士學位論文，2013.

[9]陳蘭美. Chem3D在有機化學教學中的應用[J].廣東醫學院學報，2009，27（6）：712～714.

[10]李曉飛，仝艷，苑娟，楊煥平. GaussView軟件在有機化學多媒體教學中的應用[J].大學化學，2007，22（2）：38～41.