《结构化学》多媒体素材制作

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§1 §1 函数图函数图 (2D)(2D) 制作制作• 示意图示意图

可选用各种绘图软件中曲线绘制工具，如可选用各种绘图软件中曲线绘制工具，如 OfficeOffice 的“绘的“绘图”工具、图”工具、 ChemwinChemwin 、、 CorelDrawCorelDraw 等等，尽量制作成矢量等等，尽量制作成矢量图图

• 2D2D 函数图函数图可选用各种绘制函数图的软件，如可选用各种绘制函数图的软件，如 OriginOrigin 、、 SigmaplotSigmaplot 等等


示意图例示意图例 1—1— 状态函数和概率状态函数和概率dx

x+dxx

||2

||2dx

本图参考 Atkins “Atkins’ Physical Chemistry”

• 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


示意图例示意图例 2—2— 苯苯 HMOHMO 能级能级程序： 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 Ob

jects”) 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》


函数图例函数图例 4—4— 氢原子氢原子 2s2s 轨道径向分布函数图轨道径向分布函数图程序： Origin• 打开 Origin• 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

2 2 2 22,0

1( ) 28

rD r r R r r e

0 5 10 150.00

0.05

0.10

0.15

0.20D(r)

r/aOrigin 使用可参考网站讲义《计算机在化学中的应用》


函数图例函数图例 3—3— 氢原子氢原子 ddxyxy 轨道角度部分函数轨道角度部分函数图图 215 sin sin 2

16xyd

程序： Origin• 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 Propert

y ，设置纸宽高一致，显示比例相同• 修饰图形

_

_+

y

x

+


§2 §2 函数图函数图 (3D)(3D) 制作制作• 地形图地形图 (( 包括网格图，等高线图等包括网格图，等高线图等 ))

可使用可使用 SurferSurfer ，， Calc 3D, Calc 3D, 等等• 轮廓图轮廓图 (( 如波函数轮廓图等如波函数轮廓图等 ))

可使用量子化学工具可使用量子化学工具 Atom OrbitalAtom Orbital 、、 VMDVMD 、、 GabeditGabedit 、、 GGaussViewaussView 、、 POVRAYPOVRAY 等等等等


地形图　例地形图　例 1.1. 氢原子氢原子 3s3s 轨道波函数网格图轨道波函数网格图 2 /3

31 27 18 2

81 3r

s r r e

程序： Surfer• 打开 Surfer• 网格—函数• 输入函数 ( 放大了 250 倍 ) ，确认

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


地形图　例地形图　例 2.2. 氢原子氢原子 3s3s 轨道电子云黑点图轨道电子云黑点图程序： Surfer• 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)

• 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


地形图　例地形图　例 3.3. 二维势箱波函数图二维势箱波函数图程序： Calc3D• 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


轮廓图　例轮廓图　例 4.4.三维势箱波函数图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)-0.1C1=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*1000G=0B=-C1*C2*C3*1000

• 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


• 轮廓图　例轮廓图　例 5. 5. 原子轨道轮廓图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


• 轮廓图　例轮廓图　例 6. 6. 原子轨道轮廓图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> } finish {F} scale 3.6/Scale translate<-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 }


• 轮廓图　例轮廓图　例 7. 7. 分子轨道轨道轮廓图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


• 轮廓图　例轮廓图　例 8. 8. 分子轨道轨道轮廓图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


• 轮廓图　例轮廓图　例 9. 9. 分子轨道轨道轮廓图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 S

tart• 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


• 轮廓图　例轮廓图　例 10. 10. 分子轨道轨道轮廓图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


§3 §3 分子结构图分子结构图 (3D)(3D) 制作制作• 直接使用各种分子模拟显示软件直接使用各种分子模拟显示软件

VewerliteVewerlite ，， Gabedit, VMDGabedit, VMD ，， Argulab…Argulab…

• POVRAYPOVRAY先采用分子模拟软件输出先采用分子模拟软件输出 POVPOV 文件，再用文件，再用 POVRAYPOVRAY渲染渲染

• 分子对称元素分子对称元素在标准分子结构上加对称元素在标准分子结构上加对称元素


• 分子结构制作分子结构制作

Hyperchem Viewer Pro

ArgusLab

GaussView VMD

Molkel

Gabedit


• 例例 1.ViewerLite+POVRAY1.ViewerLite+POVRAY 制作分子制作分子 3D3D 结构结构程序： 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 )


• 例例 2. POVRAY2. POVRAY 制作分子制作分子 3D3D 结构效果修饰结构效果修饰• “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 图 2 图 3


• 例例 3. POVRAY3. POVRAY 制作分子对称元素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


§4 §4 晶体结构图晶体结构图 (3D)(3D) 制作制作• 晶胞结构等晶胞结构等

直接使用直接使用 ViewerLiteViewerLite

ViewerLite+POVRAYViewerLite+POVRAY

• 晶体宏观外型晶体宏观外型WinXMorphWinXMorph


• 晶胞结构例晶胞结构例 1. 1. 制作晶胞制作晶胞 3D3D 结构结构程序： ViewerLite+POVRAY• 与分子结构程序相似，只增加了晶胞显示


• 晶体宏观外型例晶体宏观外型例 2. 2. 晶体宏观外型制作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


§5 §5 动画视频制作动画视频制作• POVRAYPOVRAY

利用利用 POVRAYPOVRAY 的功能，可先准备好所有的对象，的功能，可先准备好所有的对象，设计随视频各设计随视频各帧帧的变化，对象的变化，渲染一连的变化，对象的变化，渲染一连串的图片，用视频工具连接即可串的图片，用视频工具连接即可


• 例例 1 1 分子轨道形成过程分子轨道形成过程• 使用 clock 为时间变量• Povray.ini 中设置

Initial_Frame = 1Final_Frame =16

• 运行 POVRAY ，产生一系列图象• 用视频软件连接，得到动画


• 例例 2 2 简正振动模式简正振动模式• 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


§6 §6 结构化学素材获得结构化学素材获得• 南开大学《结构化学》课程网站南开大学《结构化学》课程网站

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南开大学《结构化学》课程网站南开大学《结构化学》课程网站量子力学量子力学

一、二、三维势箱、圆周势箱波函数图一、二、三维势箱、圆周势箱波函数图 (( 图图片片 VRML)VRML)原子结构原子结构径向、径向密度、径向分布、角度部分、电径向、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、电子云黑点图网格图、电子云黑点图 (( 图片图片 ))以及原子轨道以及原子轨道轮廓图轮廓图 (( 动画动画 VRML)VRML) 共价键基础共价键基础各种分子轨道形成过程轮廓图各种分子轨道形成过程轮廓图 (( 动画动画 ))HH22

++ 分子轨道函数图分子轨道函数图 (VRML)(VRML)CHCH44 、、 HH22OO 、、 HFHF 、、 OO22 分子轨道轮廓图分子轨道轮廓图 (VRM(VRML)L)

HMOHMO理论理论直链、环共轭多烯直链、环共轭多烯 HMOHMO 轨道能级和轮廓图轨道能级和轮廓图

分子点群分子点群各分子点群代表分子各分子点群代表分子 (( 动画动画 VRML VRML 结构数据结构数据 ))晶体宏观对称性晶体宏观对称性各点群代表晶体外型各点群代表晶体外型 (VRML)(VRML)晶体微观对称性晶体微观对称性螺旋轴、滑移面螺旋轴、滑移面 (( 动画、动画、 VRML)VRML)金属晶体金属晶体A1~A4A1~A4晶胞、堆积、空隙等晶胞、堆积、空隙等 (( 动画、结构数据、动画、结构数据、VRML)VRML)离子晶体离子晶体典型二元离子晶体典型二元离子晶体 (( 动画、结构数据、动画、结构数据、 VRML)VRML)其它晶体其它晶体 (( 结构数据结构数据 ))南开晶体库南开晶体库根据南开大学化学系结构组实物模型制作根据南开大学化学系结构组实物模型制作 (VR(VRML)ML)


• PD Dr. Stefan ImmelPD Dr. Stefan Immelhttp://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/index.htmlhttp://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/index.html

TutorialsTutorials 部分包含大量教学用的视频和图片部分包含大量教学用的视频和图片• Reactions• Hydrocarbons• Chirality• Symmetry• Orbitals

http://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/index.html


• The Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDThe Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC)C)httphttp://www.ccdc.cam.ac.uk/://www.ccdc.cam.ac.uk/

• Inorganic Crystal Structure DatabaseInorganic Crystal Structure Databasehttphttp://icsd.ill.eu/icsd/://icsd.ill.eu/icsd/

• RCSB Protein Data BankRCSB Protein Data Bankhttp://www.rcsb.org/http://www.rcsb.org/

• The Worldwide Protein Data BankThe Worldwide Protein Data Bankhttphttp://www.wwpdb.org/://www.wwpdb.org/

http://www.ccdc.cam.ac.uk/

http://www.ccdc.cam.ac.uk/

http://icsd.ill.eu/icsd/

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http://www.rcsb.org/

http://www.wwpdb.org/

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