IZOMORFIZM – KRYSZTAŁY MIESZANE

IZOMORFIZM – KRYSZTAŁY MIESZANE

Skład chemiczny poszczególnych minerałów można określić wzorem chemicznym. Wśród minerałów są jednak i takie, których skład chemiczny zmienia się w określonych granicach. Przykładem może być minerał oliwin, którego skład chemiczny można przedstawić jako mieszaninę dwóch składników: krzemianu magnezu Mg2SiO4 (forsterytu) i krzemianu żelaza Fe2SiO4 (fajalitu). Oba te związki chemiczne mają te same struktury, a komórki elementarne ich sieci przestrzennych mają bardzo zbliżone wymiary. Powoduje to, że postać kryształów tych substancji jest identyczna. Zjawisko polegające na tym, że różne substancje chemiczne (pierwiastki lub związki chemiczne) mają takie same struktury krystaliczne (o tych samych lub zbliżonych wymiarach komórek elementarnych) i identyczną lub bardzo podobną postać kryształów nosi nazwę izomorfizmu (jednopostaciowości). Rezultatem izomorfizmu jest możliwość tworzenia się kryształów mieszanych, zwanych także roztworami stałymi. Powstają one wtedy, gdy dwa pierwiastki lub związki chemiczne krystalizując we wspólnym środowisku nie tworzą osobnych minerałów, lecz wydzielają się w jednorodnej postaci o pośrednim składzie chemicznym. W przypadku oliwinów promienie jonowe magnezu (Mg2+ — 0,066 nm) i żelaza (Fe2+ — 0,074 nm) niewiele się różnią, co umożliwia utworzenie się ich kryształów mieszanych Mg2SiO4 i Fe2SiO4 o wzorze (Mg,Fe)2SiO4. We wzorach kryształów mieszanych składniki diadochowo zastępujące się podajemy w nawiasie, oddzielając je od siebie przecinkami, w kolejności ich malejącej roli ilościowej.

Szereg oliwinów został umownie podzielony na poszczególne człony, którym nadano osobne nazwy mineralogiczne:

nazwa % forsterytu % fajalitu
Mg2SiO4 Fe2SiO4
forsteryt 100—90 0—10
chryzolit (oliwin właściwy) 90—70 10—30
hialosyderyt 70—50 30—50
hortonolit 50—30 50—70
hortonolit żelazawy 30—10 70—90
fajalit 10—0 90—100

W sieciach krystalicznych oliwinów diadochowe jony magnezu Mg2+ i żelaza Fe2+ zastępują się w różnych stosunkach.

Jony różnych pierwiastków mogą zastępować się nawet wtedy, gdy mają różną wartościowość, jeżeli ich promienie jonowe są takie same lub niewiele się różnią. Przykładem może być szereg plagioklazów, w którym zewnętrznymi członami są glino-krzemian sodu NaAlSi3O8 (albit) i glinokrzemian wapnia CaAl2Si2O8 (anortyt). Diadochowo mogą być zamieniane jony sodu (Na+ — 0,097 nm) i wapnia (Ca2+ — 0,099 nm) oraz jony krzemu (Si4+ — 0,040 nm) i glinu (Al3+ — 0,049 nm). Poszczególne człony szeregu plagioklazowego otrzymały nazwy:

nazwa % albitu % anortytu
NaAlSi3O8 CaAl2Si2O8
albit 100—90 0—10
oligoklaz 90—70 10—30
andezyn 70—50 30—50
labrador 50—30 50—70
bytownit 30—10 70—90
anortyt 10—0 90—100

Szereg plagioklazów stanowi, podobnie jak szereg oliwinów, przykład ciągłego szeregu kryształów mieszanych.

Niższy stopień pokrewieństwa krystalochemicznego wyraża się w tym, że dwa pierwiastki, których wielkości promieni jonowych nie są bardzo bliskie, mogą się wzajemnie podstawiać w sieciach krystalicznych me w sposób ciągły, lecz z pewnymi ograniczeniami. Do takich nieciągłych szeregów kryształów mieszanych należy szereg granatów, których skład chemiczny określany jest wzorem: A32+ B23+[SiO4]3 lub A32+ B23+Si3O12 gdzie A = Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, B = Al3+, Fe3+, Cr3+. Najważniejszymi granatami są:

pirop Mg3Al2[SiO4]3, czyli Mg3Al2Si3O12
almandyn Fe3Al2[SiO4]3, czyli Fe3Al2Si3O12
spessartyn Mn3Al2[SiO4]3, czyli Mn3Al2Si3O12
grossular Ca3Al2[SiO4]3, czyli Ca3Al2Si3O12
andradyt Ca3Fe2[SiO4]3, czyli Ca3Fe2Si3O12
uwarowit Ca3Cr2[SiO4]3, czyli Ca3Fe2Si3O12

Granaty wapniowe, tj. grossular Ca3Al2Si3O12, andradyt Ca3Fe2Si3O12 i uwarowit Ca3Cr2Si3O12, dają kryształy mieszane we wszystkich stosunkach. Granat żelazawy — almandyn Fe3Al2Si3O12 — daje ciągły szereg kryształów mieszanych zarówno z granatem magnezowym — piropem Mg3Al2Si3O12, jak i granatem manganowym — spessartynem Mn3Al2Si3O12. Pirop ze spessartynem nie dają natomiast ciągłego szeregu, lecz tylko szereg z dużą przerwą, a wszystkie granaty wapniowe z granatami żelazowo-magnezowo-manganawymi tworzą kryształy mieszane również tylko w ograniczonym stopniu. Wynika to z podobnej wielkości promieni jonowych żelaza dwuwartościowego (Fe2+ — 0,078 nm) i magnezu (Mg2+ — 0,060 nm). Podobnie zbliżone rozmiary mają jony glinu (Al3+ — 0,049 nm), chromu (Cr3+ — 0,069 nm) i żelaza trójwartościowego (Fe3+ — 0,064 nm). Jon manganawy (Mn2+ — 0,080 nm) ma natomiast promień jonowy zbliżony do jonu żelazawego (Fe2+ — 0,074 nm), a zbyt różniący się od promienia jonowego magnezu (Mg2+ — 0,066 nm), aby mogły się one dowolnie zastępować. Jon wapniowy (Ca2+ — 0,099 nm) ma promień jonowy znacznie większy od innych dwu-wartościowych jonów występujących w granatach i dlatego ma bardzo ograniczoną możliwość izomorficznego mieszania się z nimi.

Wśród minerałów zdarzają się takie, które przy tym samym składzie chemicznym mają odmienne struktury, postacie kryształów i własności. Przykładami mogą być: pierwiastek węgiel C występujący w postaci rodzimej w dwóch minerałach: diamencie należącym do układu regularnego i graficie krystalizującym w układzie heksagonalnym. Siarczek żelaza FeS występuje jako minerał piryt (regularny) d markasyt (rombowy), węglan wapnia CaC03 jako kalcyt (trygonalny) i aragonit (rombowy). Dwutlenek tytanu Ti02 jest trójpostaciowy, występuje bowiem jako tetra-gonalny rutyl, tetragonalny, lecz o odmiennej postaci i budowie anataz i rombowy brookit (brukit). W postaci trzech minerałów: sillimanitu, andaluzytu i dystenu, czyli cyjanitu, występuje również związek chemiczny o tlenkowym wzorze Al2O3 • SiO2. Zjawisko występowania jednej substancji chemicznej w dwóch lub trzech postaciach nazwano — w przeciwieństwie do izomorfizmu — polimorfizmem (wielopostaciowością). Występowanie dwóch postaci określa się jako dymorfizm.

Poszczególne odmiany polimorficzne tworzą się w określonych warunkach fizyczno-chemicznych. Kalcyt powstaje z roztworów wodnych poniżej temperatury 29°C, powyżej tej temperatury tworzy się aragonit. Kalcyt może się tworzyć również w wysokich temperaturach przy odpowiednim ciśnieniu, np. jako główny składnik metamorficznych marmurów. Markasyt jest w porównaniu z pirytem mniej trwałą odmianą siarczku żelaza, która w temperaturze 530°C przechodzi w piryt. Podobnie pod dużym ciśnieniem andaluzyt i dysten przechodzą w sillimanit.

Z obecności niektórych odmian polimorficznych w skale można nieraz wyciągnąć wnioski o warunkach, w jakich się ona tworzyła. Odnosi się to szczególnie do temperatur, co spowodowało nazwanie tych odmian polimorficznych termometrami geologicznymi.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *