Явище ізоморфізму. Типи ізоморфізму
Серед мінералів немає хімічно чистих речовин. У їх структуру входять різні хімічні домішки. В одних мінералах кількість домішок незначно - це мінерали постійного складу, наприклад, кварц, кам`яна сіль, в них кількість домішок не перевищує 0,01%.
Інші мінерали містять різні (від незначних до великих) кількості хімічних домішок. Так, в різних зразках сфалериту (ZnS) Кількість заліза коливається від 0 до 20 ат. % від суми Zn і Fe. Такі мінерали називаються мінералами змінного складу. Головна причина цього - явище ізоморфізму.
Изоморфизмом називається явище заміни в кристалічній решітці мінералу одних хімічних елементів іншими. Прикладом ізоморфізму може служити випадок ізоморфізму магнезиту MgCO3 і сідеріта FeCO3. Ці мінерали мають кристали однакової форми. між речовинами MgCO3 і сідеріта FeCO3 є всі проміжні за складом різновиди. Як кажуть, вони утворюють між собою безперервний ряд твердих (кристалічних) розчинів. Записують формули таких мінералів, об`єднуючи елементи, ізоморфно заміщають один одного, дужками, між елементами ставиться кома: (Fe,Mg)CO3. Якщо відомі точні кількісні співвідношення цих елементів, то у формулі пишуться коефіцієнти: (Mg0,8Fe0,2)1,0CO3 і т. д. Тут сума коефіцієнтів за дужками дорівнює сумі коефіцієнтів всередині дужки: 0,8 + 0,2 = 1,0.
При изоморфной заміні одного атома іншим істотної зміни кристалічної решітки не відбувається. Тому для явища ізоморфізму необхідні наступні умови:
1. Іонні радіуси ізоморфно заміщає елементів повинні бути близькі.
2. Близькість хімічних властивостей елементів, що заміщають один одного.
3. Збереження електронейтральності кристалічної структури мінералу.У парі магнезит - сидерит радіуси Mg2+(0,078 нм) і Fe2+(0,082), близькі, хімічні властивості також подібні, обидва двовалентну, тобто нейтральність кристалічної решітки зберігається.
типи ізоморфізму
Типи ізоморфізму розрізняються між собою за характером збереження електронейтральності кристалічної решітки (по типу компенсації валентностей), по числу атомів, що беруть участь в ізоморфних обміні, по структурному положенню ізоморфних домішок, за ступенем досконалості.
За характером компенсації валентності розрізняють ізовалентною і гетеровалентний ізоморфізм.
1) При ізовалентною (наприклад, магнезит MgCO3 - сидерит FeCO3) Відбувається заміна одного елемента іншим елементом такої ж валентності, наприклад, Mg2+ Fe2+.
2) В гетеровалентном ізоморфізмі беруть участь іони різної валентності. Існує три різновиди гетеровалентного ізоморфізму:
а) Поява доручених вакансій. наприклад, ZnS з домішкою індію (In3+). місця Zn2+ в трьох вузлах кристалічної решітки поступаються місцем двом іонів індію і однієї вакансії за схемою 3Zn2+larr- 2In3+ . Структура мінералу стає дефектною. З`являється діркова вакансія. У фізичної хіміівещества з такими ізоморфними домішками називаються твердими розчинами віднімання.
б) гетеровалентності ізоморфізм з впровадженням додаткового атома в межузельние простір. Прикладом може служити кварц. Наприклад, в аметисті присутній незначна домішка (0,01%) заліза і лугів. Вважається, що залізо в кристалічній решітці кварцу займає позиції кремнію, замінюючи його за схемою Si4+larr- Fe3+. Для компенсації валентності в межузельние простір кристалічної решітки кварцу впроваджуються катіони лужних металів R+. Загальна схема ізоморфізму така Si4+larr- Fe3+R+.
в) гетеровалентний ізоморфізм заміщення. Наприклад, плагіоклази. Плагіоклази - це кальцієво-натрієві польові шпати змінного складу. Встановлені всі проміжні різновиди між мінералами складу Na(AlSi3O8) і Ca(Al2Si2O8). Ізоморфізм відбувається за схемою Na+Si4+ larr- Ca2+Al3+, при цьому кількість атомів залишається незмінним і електронейтральність кристалічної решітки зберігається. Атоми натрію і кальцію розташовуються в одних і тих же вузлах решітки, замінюючи один одного, то ж відноситься до кремнію і алюмінію. Цей тип серед гетеровалентного ізоморфізму вважається основним.
Ізоморфізм може класифікуватися за ступенем досконалості як досконалий (необмежений) і недосконалий (обмежений).
1) Необмежений ізоморфізм - коли можлива повна заміна одних атомів іншими, т. Е. Можуть існувати два крайніх і всі проміжні за складом мінерали, як в ряду магнезит - сидерит.
2) Обмежений ізоморфізм, коли кількість изоморфной домішки не може перевищувати якоїсь межі. Наприклад, корунд і рубін, в якому кількість хрому не може перевищувати 1,5 - 2% Cr2O3.
