Изоморфизм

Химические элементы в земной коре входят в узлы кристаллических решеток. Эти узлы могут быть заняты как главными элементами данного минерала, так и примесями. Такие примеси, которые входят в форму минерала, называются изоморфными примесями, а само свойство замещать друг друга в структуре минерала называется изоморфизмом.

Изоморфизм возможен, если два элемента имеют близкие межатомные расстояния, химические связи и сходное строение оболочки атомов. При изоморфизме ионы (атомы) одного элемента замещают в кристаллической решетке минерала ионы (атомы) другого элемента.

Бывают более сложные случаи, когда замещение происходит между отдельными ионами (атомами), а между группами, т.е. комплексами ионов, причем последние могут быть и разной валентности. В соответствии с этим выделяют изовалентный и гетеровалентный изоморфизм в структуре минералов.

Примеры изовалентного изоморфизма:

Li⁺ Na⁺

Mg²⁺ Fe²⁺ (оливин, пироксены, амфиболы)

Al³⁺ Fe³⁺ (оксиды, гранаты, эпидот)

Zr⁴⁺ Hf⁴⁺ (циркон, гафний)

При гетеровалентном изоморфизме в кристаллической решетке замещаются ионы разной валентности.

Существуют факторы, от которых зависит характер изоморфизма, его направленность и интенсивность. Эти факторы разделяются на внутренние и внешние.

Внутренние факторы: свойства элементов, особенности строения и размер атомов (ионов) и состояние кристаллической решетки минералов.

Внешние факторы: температура, давление, концентрация вещества, из которого формировались минералы.

Ионные радиусы элементов, вступающих в изоморфную смесь, должны быть равны или близки друг другу. По В.М. Гольдшмидту (норвежский минеролог, 1924 г.) эта равность не должна превышать 15%.

Примером изоморфизма, связанного со сходством ионного радиуса, является ряд двухвалентных металлов:

Мg (0,074 нм) – Fe (0,080 нм) – Mn (0,091 нм) – Ca (0,104 нм)

Связь Mg – Fe и Mn – Ca – совершенная, а Mg – Mn и Fe – Ca – не совершенная (отличия от ионного радиуса).

Правило ионных радиусов объясняет изоморфизм многих минералов в природе. Однако есть много примеров близких ионных радиусов элементов, которые никогда не образуют изоморфных смесей:

Na (0,098 нм) – Cd (0,099 нм)

Na (0,098 нм) – Cu (0,098 нм) и др.

Это связано с различием строения их электронных оболочек и типов химических связей в кристаллических решетках.

А.Е. Ферсман показал также, что ионы взаимозамещающих элементов должны обладать близкими поляризационными свойствами.

Важную роль в процессе изоморфизма играет также электроотрицательность элементов. Это установили А. Рингвуд и А.С. Поваренных: первым входит в кристаллическую решетку элемент с наименьшей электроотрицательностью.

Из внешних факторов изоморфизма наиболее изучено влияние температуры. В общем случае повышение температуры приводит к большей взаимной «растворимости» элементов. Изоморфизм любой пары элементов в любом минерале повышается с температурой. Пример Na⁺ - K⁺. При низких температурах в условиях гипергенеза натриевые и калиевые минералы (например, галит и сильвин) существуют раздельно, не образуя смешанных кристаллов. В то же время сильвины вулканических образований всегда содержат изоморфные примеси натрия.

Сейчас установлено, что определенному интервалу температуры соответствует определенная интенсивность изоморфизма. Иными словами, зная состав минерала, можно решить обратную задачу – определить температуру, при которой он образовался. Таким образом, использование изоморфных смесей в качестве геологического термометра открывает широкие перспективы перед геологической наукой.

Исследуя природу изоморфизма, В.И. Вернадский более 70 лет назад составил изоморфные ряды, которые он вывел эмпирическим путем. Эти ряды обобщают явление изоморфизма в условиях коры выветривания, метаморфизма и магматических процессов.