Изоморфизм минералов⁠⁠

По многочисленным просьбам, немного основ минералогии.

Одно из важных понятий в минералогии – изоморфизм.  Для того чтобы разобраться, что это за зверь такой – изоморфизм, - необходимо, для начала, понять, что из себя представляет минерал.

Итак, минерал — это природное химическое соединение, имеющее определённый химический состав и кристаллическую структуру. Главное для нас в этом определении – кристаллическая структура.

Еще подробнее:

Кристаллическая структура — такая совокупность атомов, в которой с каждой точкой кристаллической решётки связана определённая группа атомов, причём все такие группы одинаковые по составу, строению и ориентации относительно решётки.

Кристаллическая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами (с) Википедия.

Так выглядит кристаллическая решетка галита (да да, та самая пищевая соль – NaCl)

Изоморфизм (от лат."изо"- одинаковый, равный, "морфос" - вид, образ) - изменение химического состава минерала при сохранении его кристаллической структуры. Вариации состава являются в данном случае результатом замещения в данной структуре одного иона или ионной группировки на другой ион или группу ионов.

Для изоморфизма необходимо, чтобы:

1. Ионные радиусы изоморфно замещающихся элементов были близки. Если быть точнее, то ионные радиусы элементов не должны отличаться более чем на 15%. Но у каждого правила есть исключения (например, кристаллы, растущие при более высоких температурах, могут демонстрировать более широкие пределы ионных замещений, чем это возможно при низких температурах)

2. Близость химических свойств элементов, замещающих друг друга.

3. Сохранение электронейтральности кристаллической структуры минерала (обязательно, иначе решетка просто распадется).

Рассмотрим на примере: в паре магнезит MgCO3 – сидерит FeCO3, радиусы Mg2+(0,078нм) и Fe2+(0,082нм) близки, химические свойства также сходны, оба двухвалентны. Поэтому изоморфизм легко происходит: магний замещает железо и наоборот.

И из сидерита:

Получаем магнезит

Существует несколько видов изоморфизма:

Изовалентный - замещающие друг друга атомы имеют одинаковую валентность. В качестве примера таких замещений можно привести замещение Мg+2 на Fe+2 в оливине, когда существуют все промежуточные составы минерала от фаялита (Mg2SiO4) до форстерита (Fe2SiO4). Или читай выше - из магнезита в сидерит.

Гетеровалентный изоморфизм более сложен. Одним из важнейших условий его появления является требование сохранения электронейтральности структуры. Например так:

Ca2+ + Al3+ = Na+ + Si4+

Полный изоморфизм наблюдается в тех случаях, когда известны все промежуточные составы между конечными членами изоморфных рядов и серий твердых растворов. Такими являются ряды составов оливинов и плагиоклазов.

Ограниченный изоморфизм распространен более широко. Он выражается в значительных колебаниях состава многих минералов, обусловленных вхождением изоморфных ионов-примесей в данную кристаллическую структуру в определенных пределах. Примером ограниченных замещений является ряд более сложных силикатных минералов, таких как пироксены (диопсид-жадеит) и щелочные полевые шпаты (санидин-альбит).