Faktory izomorfie

Pro vzájemné zastupování stavebních částic v krystalech má zásadní význam příbuznost jejich struktury. Patří-li dvě látky do téže prostorové grupy a obsazují-li analogické částice stejná místa v jejich struktuře, nazýváme je izotypní (patří jednomu strukturnímu typu). Izomorfii pozorujeme nejčastěji právě mezi izotypními krystaly (ovšem izotypní krystaly nemusí mít nutně schopnost izomorfie!).

Krystaly, které nepatří do jedné prostorové grupy, ale jejich struktury jsou přesto podobné, nazýváme homeotypní. Krystaly strukturně značně odlišné označujeme jako heterotypní. Izomorfie mezi homeotypními krystaly je méně častá než mezi izotypními, heterotypní krystaly tvoří pevné roztoky vzácně. Izomorfní mísení prvků (či skupin) v krystalech je ovšem ovlivňeno dalších řadou faktorů. Patří k nim zejména:

aa) Izomorfie zastupujících se iontů je možná jen tehdy, mají-li ionty podobnou velikost. Zhruba platí, že rozdíl poloměrů zastupujících se iontů nemá být větší než 15 % poloměru menšího iontu. Při větším rozdílu je většinou izomorfie obtížná (např. jen za předpokladu vysoké teploty) nebo nemožná. Například magnezit MgCO₃ tvoří běžně směsné krystaly se sideritem FeCO₃, protože minerály jsou izostrukturní a rozdíl poloměrů Fe²⁺ a Mg²⁺ je jenom 8% velikosti Mg²⁺. Naopak isomorfní příměs Mg v rovněž izostrukturním kalcitu CaCO₃ bývá jen nepatrná, protože rozdíl velikostí Mg²⁺ a Ca²⁺ je asi 40% velikosti Mg²⁺.

Existují ovšem četné výjimky z tohoto pravidla, zvláště u složitějších struktur. Například ve struktuře minerálů ze skupiny granátů je běžná izomorfie Al³⁺ a Fe³⁺, ačkoliv rozdíl poloměrů těchto iontů je větší než 15% velikosti Al³⁺. Z toho vyplývá, že při posuzování možnosti tvorby směsných krystalů není správné hovořit o možnosti izomorfního zastupování dvou iontů jako takových, ale pouze vzhledem k diskutované struktuře.

ab) Dalším důležitým faktorem izomorfie je náboj (mocenství, valence) zastupujících se iontů. Jsou-li náboje stejné, hovoříme o izovalentní izomorfii, nejsou-li, jde o heterovalentní izomorfii.

Izovalentní izomorfie je v přírodě častější. Příkladem může být velmi běžná izomorfie Mg²⁺ a Fe²⁺ v silikátech či karbonátech, Fe²⁺, Ni²⁺ a Co²⁺ v sulfidech atd. Heterovalentní izomorfie je často spojena s kompenzací valencí. Např. ve skupině živců existuje široká mísivost mezi albitem NaAlSi₃O₈ a anortitem CaAl₂Si₂O₈. Záměna zde nastává mezi dvojicemi Na¹⁺Si⁴⁺ a Ca²⁺Al³⁺, takže součet mocenství zastupujících se kationtů je stále 5. Někdy bývá kompenzace valencí realizována přítomností vakancí (např. u pyrhotinu). V řadě případů způsob kompenzace valencí dosud není znám. I zde tedy hraje podstatnou roli struktura, v níž k izomorfii dochází.

ba) Vyšší teplota vždy ovlivňuje nedokonalou mísivost směrem k dokonalejší mísivosti (obr. 4.19) Při překročení jisté teplotní hranice se mísivost libovolných složek stává dokonalou.

Představme si dva částečně mísitelné krajní členy, např. draselný živec KAlSi₃O₈ a sodný živec NaAlSi₃O₈. Za dostatečně vysoké teploty bude mísitelnost těchto složek dokonalá, takže budou tvořit izomorfní směs, dejme tomu, s převahou draselného živce. Při poklesu teploty ovšem dojde k odmíšení složek, tedy k rozpadu homogenní směsi na směs heterogenní. Výsledkem bude množství drobných krystalograficky orientovaných inkluzí sodného živce v draselném živci (tzv. perthit, obr. 4.20 a 4.21). Podobné případy odmíšení jsou běžné i u některých sulfidů, oxidů a jiných minerálů.

bb) Stoupající tlak způsobuje stlačování struktury krystalů a tedy zmenšování objemu základní buňky krystalové mřížky. To má za následek přednostní vstup menších kationtů do dutin mezi anionty. Například pro vysokotlaké horniny (eklogity, peridotity) je typickým minerálem pyrop Mg₃Al₂(SiO₄)₃ ze skupiny granátů. Pro metamorfity, které vznikaly za nižších tlaků (např. svory a ruly) je typický granát almandin Fe₃Al₂(SiO₄)₃. Je to dáno větším poloměrem Fe²⁺ oproti Mg²⁺.

bc) Na vznik pevných roztoků mohou mít vliv i chemické vlastnosti krystalizačního prostředí, např. aktivita prvků nebo hydratace iontů.

další »»