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《 结构化学 》 多媒体 素材制作

《 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. dx. |  | 2. |  | 2 dx. x. x+dx. 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

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《 结构化学 》 多媒体 素材制作

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Presentation Transcript

  1. 《结构化学》多媒体素材制作

  2. §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

  3. dx ||2 ||2dx x x+dx • 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) 示意图 例1—状态函数和概率 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

  4. 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 示意图 例2—苯HMO能级 Chemwin使用可参考网站讲义《计算机在化学中的应用》

  5. 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 函数图 例4—氢原子2s轨道径向分布函数图 Origin使用可参考网站讲义《计算机在化学中的应用》

  6. 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 函数图 例3—氢原子dxy轨道角度部分函数图

  7. §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

  8. 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1.氢原子3s轨道波函数网格图

  9. 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2.氢原子3s轨道电子云黑点图

  10. 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 地形图　例3.二维势箱波函数图

  11. 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4.三维势箱波函数图

  12. 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5. 原子轨道轮廓图

  13. 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 • 轮廓图　例6. 原子轨道轮廓图 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 }

  14. 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7. 分子轨道轨道轮廓图

  15. 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8. 分子轨道轨道轮廓图

  16. 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9. 分子轨道轨道轮廓图

  17. 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 • 轮廓图　例10. 分子轨道轨道轮廓图 BMP POVRAY

  18. §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

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

  20. 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1.ViewerLite+POVRAY制作分子3D结构

  21. “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 • 例2. POVRAY制作分子3D结构效果修饰 图1 图2 图3

  22. 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 • 例3. POVRAY制作分子对称元素

  23. §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

  24. 程序：ViewerLite+POVRAY • 与分子结构程序相似，只增加了晶胞显示 • 晶胞结构 例1. 制作晶胞3D结构

  25. 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 • 晶体宏观外型 例2. 晶体宏观外型制作

  26. §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

  27. 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1 分子轨道形成过程

  28. 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 • 例2 简正振动模式

  29. §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

  30. 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 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) 南开大学《结构化学》课程网站

  31. 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

  32. 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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