Изоморфизм

ИЗОМОРФИЗМ (от изо... и греч. morphe - форма, вид), способность атомов, ионов или молекул замещать друг друга в кристаллич. структурах. В результате изоморфизма образуются твердые р-ры замещения. В-ва, к-рым присущ изоморфизм, наз. изоморфными. Изоморфные в-ва могут кристаллизоваться совместно, давая смешанные кристаллы - изоморфные смеси. Эти смеси образуются лишь тогда, когда замещающие друг друга частицы (атомы, ионы, молекулы) близки по своим эффективным размерам. Согласно правилу Гольдшмидта, образование изоморфных смесей с широким диапазоном концентраций возможно при тождестве знака заряда и близкой поляризуемости замещающих друг друга атомов (или ионов), если их ионные радиусы различаются не более чем на 15%. Если два в-ва дают изоморфные смеси любых концентраций (непрерывный ряд твердых р-ров), изоморфизм наз. совершенным. В противном случае говорят о несовершенном (ограниченном) изоморфизме. Совершенный изоморфизм характерен только для изоструктурных в-в, имеющих сходное пространств. расположение атомов или ионов и поэтому сходные по внеш. форме кристаллы. Для ограниченного изоморфизма условие изоструктурности необязательно. Пример совершенного изоморфизма - кристаллы квасцов KAl(SO₄)₂.12H₂O, в к-рых ионы К⁺м. б. частично или полностью замещены ионами Rb⁺ или NH₄⁺, а ионы Аl³⁺ ионами Сr³⁺ или Fe³⁺ . Пример несовершенного изоморфизма для изоструктурных в-в, образующих смешанные кристаллы в огранич. пределах, Mg₂SiO₄ и Ca₂SiO₄, для неизоструктурных - минерал сфалерит ZnS, в к-ром до 20% атомов Zn м. б. замещены атомами Fe, причем ZnS и FeS имеют разл. кристаллич. структуры.

Если замещающие друг друга атомы имеют одинаковую степень окисления, такой изоморфизм наз. изовалентным (напр., KH₂PO₄-KH₂AsO₄), если разную - гетеровалентным. Так, при образовании смешанных кристаллов FeCO₃-ScBO₃ происходит замещение Fe²⁺ на Sc³⁺ и одновременно - С⁴⁺ на В³⁺ , в результате чего формальные валентности оказываются скомпенсированными. Гетеровалентный изоморфизм, при к-ром Si⁴⁺ замещается на Аl³⁺ и в то же время однозарядный катион (напр., Na⁺) замещается на двухзарядный (напр., Са²⁺ ), характерен для алюмосиликатов (напр., непрерывный ряд твердых р-ров NaAlSi₃O₈-CaAl₂Si₂O₈). Гетеровалентный изоморфизм может осуществляться как без изменения числа атомов в элементарной ячейке, так и с изменением, т.е. как с заполнением пространства кристаллич. структуры, так и с вычитанием. Пример изоморфизма с заполнением пространства - смешанные кристаллы CaF₂-YF₃. Структуру CaF₂ можно описать как простую кубич. кладку ионов F^-, где ионы Са²⁺ занимают половину кубич. пустот (см. Плотная упаковка). По мере растворения YF₃ в CaF₂ ионы Са²⁺ замещаются ионами Y³⁺ , а избыточные ионы F^- внедряются в своб. кубич. пустоты. При образовании твердых р-ров изоморфных орг. в-в происходит замена молекулы на молекулу, при этом осн. роль играет геом. форма молекул. Наряду с изоморфизмом, при к-ром замещаются атомы, ионы или молекулы, возможен "аномальный" (блочный) изоморфизм, когда замещаются цепи, слои или объемные блоки. Напр., смешанослойные кристаллы встречаются среди слоистых силикатов. Изоморфные замещения имеют статистич. характер и приводят к образованию частично неупорядоченной структуры, поэтому смешанные кристаллы часто рассматривают как дефектные системы (с точечными, одномерными, двухмерными или объемными дефектами). Развивается энергетич. концепция изоморфизма, к-рая позволяет в сравнительно простых случаях на основе расчета энергии атомизации изоморфных смесей предсказать пределы изоморфных замещений в зависимости от т-ры. Изоморфизм широко распространен в природе. Б. ч. минералов представляет собой изоморфные смеси сложного переменного состава. С изоморфизмом связано геохим. поведение редких и рассеянных элементов, их распространение в горных породах и рудах, где они содержатся в виде изоморфных примесей. Изоморфное замещение определяет мн. полезные св-ва искусств. материалов совр. техники - полупроводников, ферромагнетиков, пьезо- и сегнетоэлектриков, люминофоров, лазерных материалов и др. (см., напр., Гранаты синтетические). Термин "изоморфизм" предложен Э. Мичерлихом в 1819.

Франк-Каменецкий В. А., Природа структурных примесей и включений в минералах, Л., 1964; Макаров Е. С., Изоморфизм атомов в кристаллах, М., 1973; Урусов В. С., Энергетическая кристаллохимия, М., 1975.

П. М. Зоркий.

Ещё по теме

Полиморфизм в химии — основные аспекты и примеры

Полиморфизм в физике и химии — основные аспекты и примеры

Энантиоморфизм кристаллов — определение и примеры

Аморфное состояние вещества — свойства и примеры

Изомерия в химии — виды, примеры и роль в науке и жизни

Мир кристаллов — структура, свойства и применение

Нестехиометрия в химии — причины и последствия

Симметрия в химии — ключевые аспекты и приложения

Изомерия в химии — виды и значение

Полиморфизм — разнообразие форм в природе