3DSMAX在辅助认识甲烷分子结构中的应用

有机化学又称碳化合物的化学, 是研究有机化合物的组成、结构、性质、制备方法及应用的科学。很多同学初学有机化学会感到很陌生, 因为这些内容需要学生有一定的空间想象力。如何能够帮助初学者客服恐惧增强学习的兴趣呢?三维动画由于其精确性、真实性、无限的可操作性及立体感在很多领域得到了广泛的应用。三维图像及动画能够形象地演绎平面方式难以表达清楚的有机物立体结构、变化过程等[1]。借助三维模型建构帮助学生建立空间概念, 使空间结构形象化、具体化, 从而帮助初学者更好的学习化学。人类花费了上百年的时间才对于甲烷 (CH4) 这样最简单的有机化合物结构有了清晰的认识。对甲烷结构的认识承载这人们对于有机立体化学的建构。

本文借助三维图形表述了有机最简单的分子甲烷的认识发展历程。从点群到空间夹角计算再到杂化模型, 运用3D技术从结构角度生动解析甲烷的认识与发展历程, 让大家更为清晰的认识甲烷, 认识有机化学[2]。第一个诺贝尔化学奖获得者——范特霍夫于1874年在前人的基础上从旋光异构体的数目出发, 指出碳具有正四面体结构, 而非平面分子, 碳原子位于四面体的中心, 四个氢原子位于四面体的四个顶点位置。

化学家从电子的角度构建了化学理论, 路易斯提出了8电子规则, 当原子组合构成分子时, 价层电子趋向于8个电子, 这与惰性气体的电子排列相同。量子化学让人们更清楚的认识了化学键:两个原子在共享一对电子时才能成键, 两个原子提供稳定的原子轨道, 而两个电子在同一轨道内自旋相反的运动着。这又如何来组装甲烷分子呢?各个原子组合成分子时, 各电子的价层趋向于都拥有8个电子, 与惰性气体拥有相同的电子排列, 即满足八隅体规则。碳原子在基态下的电子构型为: (1s) 2 (2s) 2 (2px) 1 (2py) 1。同一轨道内只能容纳自旋相反的两个电子, 基态碳原子只能容纳两个电子, 形成两个共价键, 这与碳四价相矛盾, 说明碳原子不是以基态成键的?如果考虑碳原子的激发态呢?2s轨道中的电子与2p轨道的电子能量相差不大, 将2s轨道中的一个电子激发到2p轨道中, 则可以容纳四个电子, 形成四个共价单键。已知碳原子从基态到激发态, 需要吸收96千卡/mol的能量, 但激发后多生成两个C-H键, 又放出198千卡的能量。成键放出的能量完全可以补偿激发所需要的能量, 形成的分子能量更低、更稳定。但问题是p电子和s电子是不等价的, p轨道在空间伸向x、y、z三个相互垂直的方向, s轨道是球形对称的, 这与范特霍夫的四面体学说又发生了矛盾。1928年鲍林提出了在形成多原子分子的过程中, 中心原子若干能量相近的原子轨道重新组合也就是所谓的轨道杂化, 碳原子s轨道和p轨道杂化形成四个能量相等具有方向性的轨道。杂化后形成了4个等同的sp3杂化轨道, 它们对称轴间的夹角为109°28´。碳原子内的1个2s轨道和3个2p轨道参与sp3杂化, 形成四个等同的sp3杂化轨道, 各含有1/4的s成分和3/4的p成分, 借助3D图像演示的杂化过程, 可以放学生清晰的了解:电子云形状及伸展方向的变化, 杂化后轨道形一头大、一头小的形状。四个轨道在空间均匀分布, 形成109°28′夹角。三维图像让学生从立体角度对甲烷四面体结构的成因及杂化有了更深刻的理解, 将抽象理论变成了可视化的图像语言。

如何运用3D Max创建出精美的模型呢。三维的建模方式有多种, 因为甲烷的碳原子为sp3杂化, 因此整个甲烷分子呈四面体型, 又因其与碳原子相连的原子具有对称性, 因此甲烷的结构为正四面体型。如图1所示:

借助于甲烷的空间点群, 通过其对称性, 甲烷3D球棍模型的设计与构建:由原理可知甲烷分子为正四面体结构, 即任意两个氢原子与碳原子中心的连线的夹角为109°28′ (约等于109.5°) 。其3D建模流程如下。

(1) 首先建立碳原子C与其中一个氢原子H1的位置关系。如图2。

(2) 其他氢原子H2, H3, H4满足∠H2CH1=∠H3CH1=∠H4CH1=109.5°由此作出C-H2。

(3) 由于平面对称性, 可知H2, H3, H4连线组成的图形在C-H1方向上的投影为正三角形, 因此将H2沿C-H1方向的轴转动120°, 240°即可得到如图3所示完整的甲烷分子。

本文借助3D技术通过甲烷对有机立体化学中抽象概念和过程进行可可视化转变, 使学生能够更为形象化的理解有机物的空间结构, 极大的方便学生的学习和理解。三维模拟让枯燥的理论跃然纸上, 让学生在轻松新奇更深刻的理解和掌握理论。

摘要：本文借助三维图形表述了有机最简单的分子甲烷的认识发展历程, 从点群到空间夹角计算再到杂化模型, 将3DSMAX和甲烷分子结构的演变过程有机结合, 三维图像让理论变得生动形象、易于理解, 便于掌握。

关键词：有机化学,模型,化学理论

参考文献

[1] 原子共价半径数据http://www.zdic.net/appendix/f7.htm.

[2] 孙京, 王笃年.高中化学原理与方法——有机化学基础[M].北京:人民教育出版社, 2012.9-10.