Изоморфизм элементов

Изоморфизм - это явление взаимозамещения атомов или ионов в кристаллической решетке минерала. При этом инородный ион должен отвечать определенным требованиям: обладать приблизительно теми же размерами, что и замещаемый им элемент, а также одинаковой с ним валентностью и иметь сходные свойства поляризации. Такой изоморфизм называется изовалентным. К нему можно отнести широко известные замещения циркония гафнием, молибдена рением, калия рубидием, алюминия галлием и т. д. Благодаря близости ионных радиусов гафний, рубидий, рений, галлий, будучи редкими элементами, практически полностью поглощаются минералами своих более распространенных элементов-хозяев. Их собственные минералы неизвестны.

Более сложной формой изоморфизма является гетеровалентный изоморфизм, при котором замещающие друг друга атомы, имеющие одинаковые размеры, обладают различной валентностью. Правило электростатической нейтральности, т. е. сохранения нейтрального заряда соединения, может быть соблюдено благодаря компенсации валентности другим ионом. Например, в плагиоклазах Са + А1 (суммарная валентность равна пяти) —→Na⁺ + Si⁴⁺(суммарная валентность также равна пяти).

Широко распространены взаимные замещения элементов, мало отличающихся по размерам атомов. Например, замещение магния и железа никелем и кобальтом в оливинах, кремния германием в силикатах и т. д.

А.Е. Ферсман ввел понятие «полярного изоморфизма», суть которого заключается в следующем: ион меньшего размера легче замещает ион большего размера (а не наоборот), ионы с более высоким зарядом предпочтительно замещают ионы с более низким зарядом (Ca^{2+ →} Na⁺ и т. д.). Эти явления

Ферсман объяснил энергетической «выгодностью» одностороннего (направленного) изоморфизма. Им были предложены два ряда элементов, в которых изоморфизм может идти по вертикали лишь снизу вверх, т. е. Ba может замещать K, но не наоборот, Sc может замещать Fe, но не наоборот и т. д.:

К Fe Ca Ce K Ti TR Ca Ti Sc Mg

Ва Sc U Th Pb Nb Th Y Ta Zr (Hf) Sc

Важнейшие примеры изовалентного и гетеровалентного изоморфизма приведены в «Кратком справочнике по геохимии» (Войткевич, 1977).

Кроме изоморфизма известно явление полиморфизма, которое заключается в том, что одно и то же по химическому составу вещество при кристаллизации в разных условиях (при разных P и T) образует различные минеральные модификации. Примеры: графит и алмаз, кварц - тридимит - кристобалит -коэсит - стишовит.

Интересен также эффект автолизации, или очистки минерала от примесей при его неоднократной перекристаллизации.

Разделение изоморфных примесей происходит в коре выветривания, куда попадают минералы, сформированные на больших глубинах. В обстановке избытка кислорода и влаги элементы повышают валентность, проходя все стадии окисления. Например, четырехвалентный уран превращается в шестивалентный и, являясь в такой форме хорошо растворимым, выносится из разрушающихся пород поверхностными водами. В то же время четырехвалентный торий, с которым уран очень близок по поведению в глубинных процессах, остается в россыпях, так как не меняет свою валентность.

Тестовые вопросы:

1. Как называются мельчайшие частицы, из которых состоит вещество?

2. Что построено из атомов?

3. Как называется вещество, состоящее из молекул (или атомов) двух или нескольких веществ?

4. Чему равна атомная единица массы -1а.е.м?

5. Чему равно массовое число атома ?

6. С каким элементом ассоциируют сидерофильные элементв?

7. В каких единицах выражается кларк концентраций вещества? Что представляет собой формула Курлова ?

3. СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЕЕ ОБОЛОЧЕК