Izomorfizm (krystalografia)

Izomorfizm (równopostaciowość) w sensie ogólnym – zdolność do przyjmowania takich samych form krystalograficznych przez substancje o odmiennym, bądź tylko częściowo podobnym, składzie chemicznym, przy jednoczesnej zdolności tych substancji do tworzenia roztworów stałych pierwszego rodzaju (substytucyjnych).

szereg izomorficzny: albit - anortyt

Badania rentgenograficzne doprowadziły do stwierdzenia, że izomorfizm jest wynikiem identycznego ugrupowania atomów (jonów) w strukturach. Przyczyną izomorfizmu jest zdolność atomów, jonów i ich grup o tej samej wartościowości i zbliżonej objętości, do wzajemnego zastępowania się w sieci krystalicznej – (diadochia).

Zdolność zastępowania się jonów w sieci krystalicznej uwarunkowana jest ich promieniami i ładunkami elektrycznymi. Różnica promieni zastępujących się jonów powinna być nie większa niż 15% a ładunek elektryczny sieci po substytucji musi być taki sam. Wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia może dojść do zastąpienia, w określonej proporcji jonów, których promienie wykazują różnicę ponad 15%.

Rodzaje izomorfizmu

Pojęcie to obejmuje:

• izomorfizm w szerokim tego słowa znaczeniu (izostrukturalność = izotypia),
• izomorfizm, w ścisłym słowa tego znaczeniu, w którym substancje muszą mieć zdolność do tworzenia izomorficznych roztworów stałych czyli wykazują zdolność do zastępowania jonów w strukturach swoich kryształów,
• izomorfizm polimeryczny – przejawia się wtedy, gdy w dwóch lub więcej różnych substancjach chemicznych występują nie pojedyncze równoległościany elementarne, lecz ich grupy np. anortyt – (Ca[Al₂Si₂O₈]) ma dwukrotnie większą komórkę jednostkową niż izomorficzny z nim albit Na[AlSi₃O₈].

Niekiedy dwie substancje krystaliczne wykazują identyczny typ struktury, różniący się tym, że pozycje kationów i anionów są zmienione. Przykładem tego zjawiska są kryształy fluorku wapnia (CaF₂) i siarczku sodu (Na₂S). Takie podobieństwo strukturalne minerałów określane jest mianem antyizomorfizmu.

Izomorfizm minerałów

Izomorfizm jest częstym zjawiskiem w świecie minerałów.

• Idealny izomorfizm wykazują ałuny – kryształy idealnie izomorficzne mają taką samą postać krystalograficzną i jednakowe kąty między odpowiadającymi sobie ścianami.
• Oliwiny tworzą szereg, w którym forsteryt (Mg₂SiO₄) i fajalit (Fe₂SiO₄) są skrajnymi ogniwami, jako że magnez i żelazo zastępują się wzajemnie w dowolnej proporcji (różnica promieni jonowych jest mniejsza niż 15%).
• W węglanach trygonalnych (grupa kalcytu) zastąpienie wapnia przez magnez byłoby bardzo trudne, ponieważ różnica ich promieni jonowych jest większa niż 15%; dlatego też między kalcytem (CaCO₃) a dolomitem (CaMg(CO₃)₂) nie ma substancji izomorficznej. Może natomiast do niej dojść między syderytem (FeCO₃) a magnezytem MgCO₃); w tym wypadku wymieniają się wzajemnie żelazo (Fe) i magnez (Mg).

Podobieństwo zewnętrznej postaci takich kryształów wynika z podobieństwa ich wewnętrznej budowy, czyli struktury (izostrukturalność).

Mogą one tworzyć szeregi izomorficzne = (roztwory stałe), np.:

• albit – anortyt
• diopsyd – hedenbergit
• forsteryt – fajalit
• ferberyt – hubneryt

Kontrola autorytatywna (zjawisko fizyczne):

• LCCN: sh85068653
• GND: 4162535-3

Encyklopedie internetowe:

• Britannica: science/isomorphism-chemistry
• Catalana: 0189719