2. Условия проявления изоморфизма
Возможность изоморфного замещения зависит от ряда причин или факторов – внутренних и внешних.
Внутренние факторы определяются свойствами самих элементов (ионов). К ним относятся:
1. Радиусы ионов (или атомов) являются близкими, и их разница не превышает 15% (привали Гримма-Гольдшмидта).
d =|r1-r2/r1|*100%, где
r1 – радиус замещающего иона; r2 – радиус замещаемого иона;
При d меньше 15% - возможен совершенный изоморфизм; при d=15-40% изоморфная смесимость может быть частичной только при высоких температурах и давлении.
2. Необходимо также сохранение электронейтральности кристаллической постройки минерала.
3. Определенное сходство химических свойств заменяющих друг друга элементов. Например, в паре магнезит-сидерит радиусы магния (0,078нм) и железа двухвалентного (0,082нм) близки, для обеих свойственны сходные химические связи, оба они двухвалентны, т.е. нейтральность кристаллической решетки сохраняется.
К внешним факторам изоморфизма относятся температура, давление, концентрация веществ в среде протекания процесса. С увеличением температуры возрастает степень смесимости веществ. Многие ионы, не замещающие друг друга в решетках минералов при низких температурах, при высоких образуют изоморфные смеси. Магматизм – основная область проявления изоморфизма в земной коре. Большой изоморфной емкостью обладают породообразующие минералы основных, кислых и щелочных пород.
Повышение концентрации в среде минералообразования элемента, изоморфно входящего в кристаллическую решетку, способствует изоморфизму. Процесс протекает более интенсивно, если в рассматриваемой среде будет понижена концентрация «главного», т.е. замещаемого элемента. Т.о., изоморфные примеси в минералах (особенно переменного состава) отражают особенности химизма среды минералообразования, т.е. расплавов и растворов, из которых и в которых они образуются.
Академик А.Е.Ферсман охарактеризовал возникновение этих соединений таких путем: «Образование изоморфных смесей отвечает общим законам энтропии, особенно в условиях высоких температур, и поэтому энергетически оно необходимо и более выгодно, чем образование чистых соединений».
Эмперические изоморфные ряды В.И. Вернадского (1910 г.)
1. |
10.
|
2.
|
11.
|
3.
|
12.
|
4. |
13.
|
5.
|
14.
|
6.
|
15.
|
7.
|
16.
|
8.
|
17.
|
9.
|
18.
|
І – кора выветривания (низкие t и p); ІІ – обасть метаморфизации (средние t и высокое p);
ІІІ – область магматизма (высокие t и p)
3. Практическое значение изоморфизма
Наиболее важные в настоящее время направления использования явления изоморфизма в различных отраслях хозяйства:
1. Значительная часть редких и рассеянных элементов добывается из изоморфных смесей. Значительное количество гафния добывается из циркона, где гафний находится в изоморфной смеси к цирконию. В изоморфной смеси к цирконию могут находится иттрий, тяжелые лантаноиды. Рений Re, сверхрассеянный элемент, благодаря изоморфизму с молибденом, был обнаружен в молибденитах (содержания до 2х10-3%, медно-молибденовые руды Коунрада), откуда он и извлекается. Потенциальные возможности изоморфных примесей как источника многих химических элементов (часто даже добываемых попутно) чрезвычайно велики.
2. При существующих в настоящее время методиках извлечения «попутных элементов» значительная часть этих элементов уходит в отвалы, вылетает с дымом из труб, удаляется с промышленными стоками. Будучи освобожденными из кристаллических решеток, изоморфные примеси начинают самостоятельную миграцию в биосфере, точнее, в ноосфере. Поэтому, отработка руд с развитым изоморфизмом часто способствует специфическому загрязнению территорий, прилегающих к рудникам, обогатительным фабрикам, металлургическим комбинатам. В связи с этим, в этих районах почвы, воды, растения имеют повышенные концентрации многих элементов, не извлекаемых из руд.
3. Явления изоморфизма следует учитывать при использовании удобрений, основная часть которых изготавливается из природных фосфатов и апатитов, в которых в виде изоморфных примесей содержится целый ряд редких и редкоземельных элементов, включая литий, стронций, иттрий и др. Несовершенные технологии способствуют накоплению этих элементов в удобрениях, с которыми они поступают в почвы, а затем при разложении удобрений – в воды и различные живые организмы.
ЛЕКЦИЯ 5