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
nazwa	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
nazwa	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.