Изоморфизм
— Этим именем обыкновенно обозначают способность двух или нескольких
кристаллических тел аналогичного химического состава кристаллизоваться в
одинаковых или подобных кристаллических формах и образовать в неопределенных
(непостоянных) количествах смеси, не нарушая однородности кристаллов [Первым,
выразившим определенно понятие об И., был Митчерлих (1819), который это явление
наблюдал и подробно изучил на искусственных продуктах — солях ортофосфорной
кислоты. В области минералогии на И. обратил внимание Г. Poзe.]. Сходство между
изоморфными телами выражается не только в общем виде, не только в величине
углов, но захватывает и внутреннее строение кристаллов, выражающееся в
направлениях и характере спайности, в теплопроводности и расширении при
нагревании, показателе преломления, положении плоскости осей и т. д. "А так как
кристаллические формы подлежат точному измерению, то внешняя форма или отношение
частиц, вызывающее их сложение в кристаллические формы, оказывается столь же
пригодным для суждения о внутренних силах, действующих между атомами, как и
сравнение реакций, плотностей пара и т. п. отношений" (Менделеев). В этом
заключается громадное значение понятия об И.
как для химии, так в особенности
для минералогии. Случаи И. известны для кристаллов, принадлежащих всем
кристаллическим системам: в правильной системе, напр., изоморфную группу
образуют шпинели (шпинель, автомолит; магнетит, хромит), которые кристаллизуются
главным образом в октаэдрах, образуют двойники по одному и тому же закону,
составлены в химическом отношении аналогично, и образуют смеси. Типичным
образцом изоморфных тел могут служить известковый шпат, доломит, магнезит,
железный шпат, марганцовый шпат и цинковый шпат, представляющие углекислые соли
Са, Mg, Mn, Fe и Zn. Все они кристаллизуются в ромбоэдрическом отделении
гексагональной системы, у всех у них близкие углы ромбоэдра и близкое отношение
осей.
|
Угол ромбоэдра |
Отношение oceй |
Известковый шпат (СаСО 3) |
74°55' |
1:0,854 |
Доломит (Ma, Сa) СО 3 |
73°45' |
1:0,832 |
Магнезит (MgCO 3) |
72°40' |
1:0,809 |
Цинковый шпат (ZnCO 3) |
72°20' |
1:0,806 |
Железный шпат (FeCO 3) |
73°0' |
1:0,818 |
Марганцовый шпат (MnCO 3) |
73°9' |
1:0,818 |
В то время, как с кристаллографической и физической стороны И. не вызывает
никаких недоразумений и трудностей, химическая сторона этого явления в сущности
до настоящего времени остается неясной. Первые наблюдавшиеся случаи
действительно представляли большую аналогию в химическом составе. Но мало-помалу
накоплялись и накопляются факты, показывающие, что наши представления об
аналогии в составе должны быть значительно расширены и изменены. Доказано, что
натровая селитра NaNO 3
представляет полный изоморфизм с известковым шпатом, хотя здесь подобие в
химическом составе уже меньшее, нежели, напр., между известковым шпатом и
доломитом, магнезитом и др. Отсюда аналогию состава нужно расширить до
одинакового числа атомов в частице. Но это представление не обнимает собою всех
случаев изоморфизма. Напр., минералы анортит и альбит в физическом отношении
являются настоящими изоморфами, а химический состав их далеко не аналогичен, — у
первого СаАl 2Si2 О 8,
а у второго Na 2Al2Si6O16.
В этом случае допускают, что И. может проявиться и тогда, когда сходство между
телами выражается в одинаковом числе атомностей (единиц сродства). Если, удвоив
формулу анортита Са 2 (Аl 2)2Si4 О 16,
написать ее таким образом — СаСаАl 2Al2Si4 О 16
и сравнить с формулой альбита Na 2Al2Si2Si4O16,
то сходство обнаруживается допущением, что группа CaAl 2
в анортите равнозначна Si 2
в альбите, — в той и другой имеется восемь единиц сродства. Наконец, бывают
случаи, когда сходство в составе обнаруживается только при допущении
существования радикалов, которые действуют только своими свободными единицами
сродства, таким образом, например соединение Al 2SiO5
может быть изоморфно с MgSiO 3,
причем роль одноатомного (одноэквивалентного) элемента играет радикал
Существуют еще более труднообъяснимые, с точки зрения аналогии в химическом
составе, случаи изоморфизма, наблюдаемого у бромистого бария ВаВr 2 2Н 2 О
и КСlO 4, КМnО 4,
CaSO4, ВаС 2 Н 2 О 4,
в которых подобие состава для нас совершенно скрыто. "Из этих примеров видно,
что условия, определяющие данную форму, могут повторяться не только при
изоморфной замене, т. е. при равном числе атомов в частице, но и при
неодинаковом их количестве, когда есть особые, еще необобщенные отношения в
составе" (Менделеев). Таким образом, очевидными признаками И. двух каких-либо
тел служит подобие кристаллической формы в связи с внутренним строением и
способность совместной кристаллизации в неопределенных количественных
отношениях. Последнее свойство можно обнаружить, кристаллизуя смешанные растворы
ихоморфных тел, напр., смесь в самых разнообразных пропорциях калиевых и
аммиачных квасцов, цинкового и марганцевого купоросов и др. Оно наблюдается
весма часто и в природе: доломит представляет подобные же отношения углекислой
магнезии и извести; олигоклаз, лабрадор и др. состоят из смеси в переменных
количествах альбита и анорита и пр. Нередко кристаллы какого-нибудь вещества,
помещенные в растворе другого изоморфного с ними вещества, продолжают расти
столь же правильно, как и в своем собственном. Таким образом возникают, так
сказать, слоистые кристаллы, весьма часто наблюдаемые и среди минералов.
Подобного рода явления можно видеть, напр., на различно окрашенных гранатах.
Кристаллографические и физические свойства смешанных кристаллов являются
промежуточными; напр., в изоморфном ряде полевых шпатов двугранный угол призм
изменяется правильно в зависимости от преобладания той или другой составной
части кристалла:
у альбита он |
120°47' |
у анортита он |
120°30' |
у олигоклаза он |
120°42' |
у лабрадора он |
120°37' |
Подобная же зависимость от количества участвующих в образовании смешанных
кристаллов наблюдается в показателе преломления, положении плоскости оптических
осей, удельном весе и пр. Если И. связан и диморфизмом (см. Полиморфизм), то
такое явление называют изодиморфизмом; напр., окись сурьмы и мышьяка (Sb 2O3
и As 2O3)
кристаллизуются в правильной и ромбической системах, при чем ромбич. сист. Sb 2O3
(минерал валентинин)
изоморфен с таковым же As 2O3
(клаудетит); правильной — Sb 2O3
(сенармонтит) изоморфен с As 2O3
(арсенит).
Ср. Mitscherlich, "Abhandlungen d. Berliner Akad." (Dec., 1819); G. Rose,
"Zeitscrift d. deut. geolog. Geselsch." (т. 16 и 20); "Berichte d. deut. chem.
Ges." (1871); Kopp, "Annalen d. Chem. u. Pharm." (Bd. 36 и "Pogg. Ann." Bd. 52);
Tschermak, "Sitzber. d. Wiener Akad." (Bd. 45 и 50); "Miner. petrogr. Mittheil."
(Bd. 4); Groth, " P ogg. Ann."
(Bd. 141); Brezina, "Miner. petrogr. Mith." (1875). Общие положения об И. можно
найти: во многих руководствах по химии и минералогии: "Основы химии", Менделеева
(1889); "Lehrbuch d. Mineralogie", Tscherman; "Allgemeine chemiche Mineralogie",
Do elter 91890); "Einleitung in die Chemiche Krystallographie", Fock
(1888); Grot, "Physikal. Krystallographie".
П. З.
|