分子の座標ファイルを作成する
エディタを使って座標ファイルを作る
VESTA が表示する分子の構造(原子の位置)は、座標ファイルの中に書かれています。
先ほど使った、エタノール分子の座標ファイル ethanol.xyz の中(実体)を見てみましょう。
実体を見るためには [エディタ] と呼ばれるソフトウェアを使います。
この授業では [メモ帳] (NotePad)を使います 1)[メモ帳] は Windows 標準添付のソフトウェアです。 (Macの人は脚注参照→ 2)Mac OS Xの場合、標準で搭載されている[テキストエディタ]が使えます。起動時は[リッチテキスト]モードになっているので、[テキストエディット]-[環境設定…]-[フォーマット]で [標準テキスト]モードに切り替えてください。拡張子(ファイル名の最後の部分)は強制的に .txt となってしまうので、ファイルをセーブした後、ファイル名末尾を .xyz に直してください。 )。
- 画面左下の[スタートボタン]を押し、[Windows アクセサリ] の中の[メモ帳]をクリック
ダウンロードした ethanol.xyz を、起動した [メモ帳] に Drag & Drop、または [ファイル]-[開く] で 開いてください。
ethanol.xyz は “XMol XYZ” 形式に従って書かれています。(ファイルの拡張子は .xyz )
“XMol XYZ” 形式は分子の情報を以下のように書くように定められています。
- 1 行目 原子の個数を書く
- 2 行目 分子の名称を書く(日本語禁止)
- 3 行目以降
1 行が 1 つの原子の情報を表している。それぞれの行には各原子の
元素記号 x 座標 y 座標 z 座標
を書く。座標は Å (オングストローム) 単位 3)1 Å = 10-10 m 。 元素記号と各座標の間はスペースで区切る。
(スペースの数は何個でも良い。ただし、全角スペースは使わないこと。タブ(Tab) も区切りに使えるが、タブの場合は 2 個以上連続して並べてはいけない。)
つまり、原子の座標を調べ、上のようなフォーマットで 拡張子を .xyz としたファイルを作れば、どのような分子でも図に描くことができます。
問題 4 (メタン)
下記の座標を利用してメタン分子の座標ファイルを作成し、それを使ってメタンの分子模型を図示せよ。またVESTAを用いてメタン分子のH-C-H結合角を求めよ。
- ファイルの中では全角文字は使わない。
- 1行目は原子数を入力
- 2行目は分子名(methane または CH4) を入力
- 3行目以降は、元素名、xyz座標をスペースで区切り入力
座標データが入力できたら、ファイルの種類を [すべてのファイル] に変更して、methane.xyz という名前でセーブしてください。4)NotePad++ の場合、ファイルの種類は[Normal text file (*.txt)] のままでよいようです。
(ファイルの種類を [テキストファイル] のままでセーブすると、ファイル名が methane.xyz.txt となってしまうようです。その場合、できたファイルの名前を変更して最後の .txt を消してください。)
うまく入力できていれば、作ったファイル(methane.xyz) を VESTA で開くとメタンの分子模型が表示されるはずです。
1カ所でも間違いがあると、VESTAで開いたときに、VESTAがエラーを出して強制終了してしまうことがあります。その場合はよくファイルの内容を見直してください。
間違いの例
- 1行目の原子数が違っていた
- 2行目が抜けていた
- 数値の小数点がカンマになっていた
- 区切りのスペースが抜けていた
- スペースや数字に全角文字を使っていた
- 1つの数値に小数点を2回使っていた
- 小数点をつけるのを忘れて、ものすごく遠いところに原子を描いていた など
エクセルを使って座標を計算する
次に、水分子とベンゼン分子を描いてみましょう。ただし、原子の位置は自分で計算してもらいます。
次の問題 5 を行ってください。
問題 5 (水、ベンゼン)
(1) 水蒸気の赤外、ラマンスペクトルの研究によると、
水分子の O-H 結合距離は 0.9575 Å、H-O-H 結合角は 104.31° である。
水分子の構造モデルを図示せよ。
(2) 同じく、ベンゼン分子 (C6H6) の C-C 結合距離は 1.397 Å、C-H 結合距離は 1.076 Å である。ベンゼン分子の構造モデルを図示せよ。
(どこを原点(x = 0, y = 0, z = 0)にすれば計算が楽か、よく考えてください。必ずしも原点に原子がある必要はありません。)
座標計算は、エクセルを使って行います。
次の方法で、エクセルを使って xyz ファイルに入力するデータを作成することができます。
- 上図のように、xyz 形式に合うように原子数や元素名、座標をエクセルのセルに並べる (座標は三角関数を使って計算する)
- 上図のように、xyz 形式の部分を選択して [コピー] する
- [メモ帳] を立ち上げ新しいファイルを開く
(すでにファイルが開かれているときは、[ファイル]-[新規作成] で新しいファイルを作成する) - [メモ帳] に [ペースト] する
([メモ帳]にペーストすると、数式ではなく答えの「数値」が貼り付けられます) - .xyz をつけたファイル名でセーブする
これでエクセルから[メモ帳]にデータを移動し、.xyz ファイルを作る方法が分かりました。
各原子の座標はエクセル上で三角関数を使って計算します。
エクセルから[メモ帳]にペーストする際には、数式ではなく答えの数値が貼り付けられますので、エクセル上では例えば
=10∗sin(radians(30))
というように、直接数式を入力してかまいません。
エクセルでの三角関数の使い方を下に書いておきます。角度として ラジアン を使うことに注意してください。
水とベンゼン分子のモデルを順に作成してください。
分子模型を製作後、計算が合っているかどうか VESTA 上で原子間距離や角度を確かめてみること!
エクセルによる三角関数の計算
sin30° → = sin(30*3.14/180)
または → = sin(30*pi()/180)
または → = sin(radians(30))
(いずれも 30° をラジアンに変換してから sin に入れている)
※ pi() は円周率を返す関数。(かっこの中には何も入れない)
radians() は度をラジアンに変換する関数。
ラジアン→度の変換は degrees() で行える。
他、覚えておいて欲しい関数は
^ (ハット) 累乗 (2の3乗 → =2^3),
log() 常用対数,
ln() 自然対数,
exp() 指数関数 (eの3乗 → =exp(3) )
sqrt() ルート(ルート2→ = sqrt(2) 、=2^(1/2)でも同じ)
など。参照→エクセルの関数 (エクセルのメニュー中の[数式]-[関数の挿入]で一覧が出てきます。)
問題 5-2 (炭化水素類; 余剰問題)
(余裕のある人は挑戦してください。)
次の分子を図示せよ。
- エタン(C2H6) (ねじれ型配座が最安定)
C-C-H 結合角 109.6°、C-C 結合距離 154 pm、C-H 結合距離 110 pm - エチレン(C2H4)
C-C-H 結合角 121.7°、C-C 結合距離 133 pm、C-H 結合距離 108 pm - アセチレン(C2H2)
C-C-H 結合角 180°、C-C 結合距離 120 pm、C-H 結合距離 106 pm
1 pm (ピコメートル) = 0.01 Å
参照→接頭語
脚注
↑1 | [メモ帳] は Windows 標準添付のソフトウェアです。 |
↑2 | Mac OS Xの場合、標準で搭載されている[テキストエディタ]が使えます。起動時は[リッチテキスト]モードになっているので、[テキストエディット]-[環境設定…]-[フォーマット]で [標準テキスト]モードに切り替えてください。拡張子(ファイル名の最後の部分)は強制的に .txt となってしまうので、ファイルをセーブした後、ファイル名末尾を .xyz に直してください。 |
↑3 | 1 Å = 10-10 m |
↑4 | NotePad++ の場合、ファイルの種類は[Normal text file (*.txt)] のままでよいようです。 |