Изоморфизм как фактор, определяющий закономерности распределения микроэлементов и их судьбу в природных и техногенных процессах

По степени совершенства изоморфных замещений можно выделить два случая. В первом случае замещение одного элемента другим может быть в пределах до 100% – это совершенный, или полный, изоморфизм. Во втором случае замещение может быть частичным от сотых долей до нескольких процентов – это несовершенный, или ограниченный изоморфизм.

Многие изоморфные примеси не отражаются формулой минерала, ибо количество их невелико. Так, в цинковых обманках ZnS обычно присутствует в виде изоморфной примеси Fe, а иногда Cd и In.

Если происходит изоморфное замещение одних элементов (или комплексов) другими, то в формулах они берутся в скобки и отделяются друг от друга запятой, причем порядок написания зависит от количества этих элементов (или компонентов).

В чем же причина изоморфизма? В.М. Гольдшмит показал, что элементы могут замещать друг друга в структурах в том случае, когда радиусы ионов (или атомов) являются близкими и разница их не превышает 15%. Однако, если величины радиусов ионов близки, это еще не предопределяет возможность их изоморфного замещения. Понятие о ионах, как несжимаемых шарах, верно лишь в первом приближении. В электрическом поле в результате взаимодейтсвия ионов происходит их поляризация с искажением шарообразной формы электронного облака.

Поэтому, кроме близости ионных радиусов, поляризационные свойства ионов тоже должны быть близкими. Если степень поляризации ионов различна, то даже при очень близких радиусах изоморфизма между ионами не будет (например, нет изоморфизма между Na+ и Cu+).

Изоморфизм очень распространен в природе. Широким развитием изоморфных замещений объясняется сложный химический состав большинства минералов, особенно из группы силикатов. Примером совершенного изоморфизма являются минералы переменного состава, дающие непрерывные ряды: плагиоклазы, скаполиты, вольфрамиты и др.

Законы изоморфного замещения объясняют распределение редких элементов, находящихся в виде примесей в горных породах и рудах. Так, значительная часть иттрия и редких земель находится в апатите, сфене и флюорите, изоморфно замещая кальций; трехвалентный ванадий замещает в магнетите окисное железо; селен – серу в пирите и т.д.

Учение об изоморфизме является основой для изучения форм нахождения элементов в горных породах и процессов концентрации и рассеяния химических элементов в земной коре.

Изоморфное замещение играет огромную роль в распределении элементов по различным минералам.

Все многообразие кристаллических структур минералов можно свести к 5 типам, отличающимся характером расположения атомов.

1.   Координационные структуры характеризуются одинаковыми расстояниями между атомами. Некоторые минералы представлены огромными массами почти мономинеральных пород или промышленных скоплений – месторождений полезных ископаемых, такие как магнетит, магнезит, кальцит, гипс, галит3+ и пр. В тоже время известны минералы, которые находятся в количестве, едва достаточном для их диагностики. В природе 3000 видов таких минералов. Распространенность и число минеральных видов в земной коре определяются в основном распространенностью и химическими свойствами атомов минералообразующих элементов, способность которых концентрироваться с образованием минералов или рассеиваться, т.е. их химическая активность зависит от физико-химических условий среды. Для них характерна плотнейшая упаковка. Примеры: (золото самородное), анионы кислорода в гематите, или катионы кальция во флюорите.

2.   Островные структуры характеризуются различными межатомными расстояниями. Анионные радикалы или замкнутые молекулы представляют собой как бы отдельные «острова». Межатомные расстояния в пределах этих «островов» меньше, а прочность химических связей существенно больше, чем в остальной части структуры. Примеры: силикаты с изолированным тетраэдрическим анионным радикалом [SiO4]4-; оливин (Mg,Fe)2[SiO4], топаз Al2[SiO4](OH,F)2 и др; карбонаты с изолированным треугольным радикалом [CO3]2-; кальцит Ca[CO3], доломит CaMg[CO3]2     и др. Есть минералы с более сложным строением «островов».

3.   Цепочечные структуры образованы бесконечными одномерными радикалами, которые состоят из линейно-связанных координационных полиэдров. Расстояние между атомами в пределах цепочек меньше, а прочность химических связей больше, чем между ними. В структурах одних минералов цепочки одинарные (силлиманит Al[SiAlCO5]), других минералов сдвоенные – ленточные структуры (антофиллит Mg7[Si4O11]2(OH)2.

4.   Структуры слоистые (листовые) отличаются тем, что межплоскостные расстояния в пределах плоскости (слоя) меньше, чем между плоскостями (слоями), и, соответственно, атомы прочнее связаны с соседними атомами плоскости (слоя), чем с атомами другой плоскости (другого слоя). Примеры: графит С, тальк Mg3[Si4O10](OH)2, брусит Mg(OH)2.

5.   Каркасные структуры характеризуются ажурным объемным соединением координационных полиэдров всеми общими вершинами или ребрами. В крупных пустотах каркаса могут располагаться большие по размерам атомы. Структуры с каркасным мотивом имеют кварц SiO2 и полевые шпаты (альбит Na[Si3AlO8]).

Изоморфизм по сути, это фактор, определяющий закономерности распределения микроэлементов и их судьбу в природных и техногенных процессах, благодаря особенностям изоморфного замещения, широко распространенного в природе.