Введение

Кристаллографическая система, в которой элементарная ячейка имеет форму куба.

В кристаллографии кубическая (или изометрическая) кристаллическая система – это кристаллическая система, в которой элементарная ячейка имеет форму куба. Это одна из наиболее распространенных и простых форм, встречающихся в кристаллах и минералах. Существует три основных разновидности этих кристаллов:
Примитивная кубическая (сокращенно cP, также называемая простой кубической)
Кубическая с центрированием по телу (сокращенно cI или bcc)
Кубическая с центрированием по граням (сокращенно cF или fcc)
Примечание: Термин fcc часто используется как синоним кубической плотноупакованной структуры или ccp, встречающейся в металлах. Однако fcc обозначает гранецентрированную кубическую решетку Браве, которая не обязательно является плотноупакованной при установке мотива на узлы решетки. Например, алмазная и цинковая решетки являются гранецентрированными кубическими, но не плотноупакованными. Каждая из них подразделяется на другие варианты, перечисленные ниже. Хотя элементарные ячейки в этих кристаллах обычно рассматриваются как кубы, примитивные элементарные ячейки часто таковыми не являются.

Структуры с одним элементом

Как правило, поскольку атомы в твердом теле притягиваются друг к другу, более плотные упаковки атомов встречаются чаще. (Однако, менее плотные упаковки тоже возникают, например, если орбитальная гибридизация требует определенных валентных углов.) Соответственно, примитивная кубическая структура, характеризующаяся особенно низким коэффициентом упаковки атомов, редко встречается в природе, но наблюдается в полонии. Кубические структуры с объёмно-центрированной (bcc) и гранецентрированной (fcc) решетками, обладающие более высокой плотностью, широко распространены в природе. Примерами bcc являются железо, хром, вольфрам и ниобий. Примерами fcc – алюминий, медь, золото и серебро. Другой важной кубической кристаллической структурой является структура алмаза, которая встречается в углероде, кремнии, германии и олове. В отличие от fcc и bcc, эта структура не является решеткой, так как содержит несколько атомов в своей элементарной ячейке. К другим кубическим элементарным структурам относятся структура A15, обнаруженная в вольфраме, и чрезвычайно сложная структура марганца.

Многоэлементные конструкции

Соединения, состоящие из более чем одного элемента (например, бинарные соединения), часто имеют кристаллическую структуру, основанную на кубической кристаллической системе. Некоторые из наиболее распространенных приведены ниже. Эти структуры можно рассматривать как две или более пронизывающих друг друга подрешетки, где каждая подрешетка занимает интерстициальные позиции других.

Структура хлорида цезия

Одна из них — структура "проникающего примитивного куба", также называемая структурой "хлорида цезия" или B2. Эту структуру часто путают с гранецентрированной кубической структурой, поскольку расположение атомов в них одинаковое. Однако структура хлорида цезия имеет базис, состоящий из двух различных типов атомов. В гранецентрированной кубической структуре наблюдалась бы трансляционная симметрия вдоль направления [111]. В структуре хлорида цезия трансляция вдоль направления [111] приводит к смене типа атома. Структуру также можно представить как две отдельные простые кубические структуры, по одной для каждого типа атомов, наложенные друг на друга. Угол куба хлорида является центром куба цезия, и наоборот. То же самое справедливо и для структуры NaCl, описанной в следующем разделе. Если удалить атомы Cl, оставшиеся атомы Na все равно образуют гранецентрированную кубическую структуру, а не простую кубическую. В элементарной ячейке CsCl каждый ион находится в центре куба, образованного ионами противоположного знака, поэтому координационное число равно восьми. Центральный катион координирован с восемью анионами в вершинах куба, как показано, и аналогично центральный анион координирован с восемью катионами в вершинах куба. Альтернативно, эту решетку можно рассматривать как простую кубическую структуру с дополнительным атомом в ее кубической пустоте. Помимо самого хлорида цезия, эта структура также встречается в некоторых других щелочных галогенидах, полученных при низких температурах или высоком давлении. Как правило, эта структура с большей вероятностью образуется из двух элементов, чьи ионы имеют примерно одинаковый размер (например, ионный радиус Cs+ = 167 пм, а Cl− = 181 пм). Пространственная группа структуры хлорида цезия (CsCl) называется Pmm (в нотации Германа — Могена) или "221" (в Международных таблицах по кристаллографии). Обозначение Strukturbericht — "B2". Существует около ста редкоземельных интерметаллических соединений, кристаллизующихся в структуре CsCl, включая многие бинарные соединения редкоземельных элементов с магнием, а также с элементами групп 11, 12 и 13. Другие соединения, демонстрирующие структуру, подобную хлориду цезия, — это CsBr, CsI, высокотемпературный RbCl, AlCo, AgZn, BeCu, MgCe, RuAl и SrTl.

Структура Гейслера

Структура Гейслера, основанная на структуре Cu₂MnAl, является распространенной структурой для тройных соединений с участием переходных металлов. Она относится к пространственной группе Fmm (№ 225), а обозначение по классификации Strukturbericht – L21. Наряду с тесно связанными полу-Хейслеровскими и обратными Хейслеровскими соединениями, существует множество примеров.

Структура проволоки Фелан

Структура Уэйра — Фелана обладает симметрией Pmn (223). Она состоит из трех ориентаций сложенных тетрадекаэдров с пиритоэдрическими ячейками в промежутках между ними. Эта структура встречается в химии в качестве кристаллической структуры и обычно известна как "клатрат типа I". Газовые гидраты, образуемые метаном, пропаном и углекислым газом при низких температурах, имеют структуру, в которой молекулы воды расположены в узлах структуры Уэйра — Фелана и связаны водородными связями, а более крупные молекулы газа заключены в полиэдрические клетки.