《结构化学》多媒体 素材制作

§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

示意图 例1—状态函数和概率 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 示意图 例1—状态函数和概率 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) dx x+dx x ||2 ||2dx 本图参考Atkins “Atkins’ Physical Chemistry” 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》

函数图 例4—氢原子2s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 Origin使用可参考网站讲义《计算机在化学中的应用》

函数图 例3—氢原子dxy轨道角度部分函数图 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 Property，设置纸宽高一致，显示比例相同 修饰图形

§2 函数图(3D)制作 地形图(包括网格图，等高线图等) 轮廓图(如波函数轮廓图等) 可使用Surfer，Calc 3D, 等 可使用量子化学工具Atom Orbital、VMD、Gabedit、GaussView、POVRAY等等

地形图 例1.氢原子3s轨道波函数网格图 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2.氢原子3s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3.二维势箱波函数图 程序：Calc3D 打开Calc3D 下拉菜单选择3D-Data 函数形式选择Z(x,y) 地形图　例3.二维势箱波函数图 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4.三维势箱波函数图 程序：SurfX3D 打开SurfX3D New—f(x,y,z)=0 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 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“=” 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

轮廓图 例6. 原子轨道轮廓图 程序：POVRAY 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> } 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 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

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 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

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) 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

轮廓图 例10. 分子轨道轨道轮廓图 BMP POVRAY 程序：Gabedit(Free) 专业分子模拟显示程序 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

§3 分子结构图(3D)制作 直接使用各种分子模拟显示软件 POVRAY 分子对称元素 在标准分子结构上加对称元素 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

分子结构制作 ArgusLab Hyperchem Viewer Pro Molkel GaussView VMD Gabedit

例1.ViewerLite+POVRAY制作分子3D结构 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 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 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 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

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

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 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 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

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

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

§6 结构化学素材获得 http://struchem.nankai.edu.cn 南开大学《结构化学》课程网站 http://202.113.231.157

南开大学《结构化学》课程网站 量子力学 原子结构 共价键基础 HMO理论 分子点群 晶体宏观对称性 晶体微观对称性 金属晶体 离子晶体 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 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 Reactions Hydrocarbons Chirality Symmetry Orbitals

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/