4.2: Ізоморфна заміна

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37199

gemology
Gemology Project

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Ізоморфна заміна - це заміна певних елементів у дорогоцінному камені іншим елементом тієї ж валентності, без зміни форми дорогоцінного каменю. Слово ізоморф походить від iso (те саме) і morph (форма). Таким чином, хоча хімічний склад дорогоцінного каменю змінюється, кристалічна форма не змінюється. Улюблений сорт дорогоцінних каменів, який використовується для пояснення цього явища, - гранатова група.

Базовий

При поясненні ізоморфного заміщення для ілюстрації найбільше підходить гранатова група.

Можна розділити гранати на дві основні групи (докладне пояснення зверніться до граната).

Піралспіт (піроп - альмандин - спессартин)
Уграндіт (уваровіт - гроссулар - андрадит)

Кожен член цих двох груп має «ідеальну» хімічну косметику. Наприклад, для піральспітів це буде:

Піроп - силікат магнію алюмінію
Альмандин - залізо силікат алюмінію
Спессартин - силікат алюмінію марганцю

У наведеному вище списку pyralspite перший елемент згадується змінюється від члена до члена. Однак в природі ніколи не знайдеться гранат піроп з таким чистим хімічним складом. Натомість під час росту інші елементи - присутні в розплаві, з якого виростав піроп, були змішані.

Коли залізо (як видно з альмандину, вище) змішується під час росту граната піропу, можна отримати магній-залізо силікат алюмінію. Частина вмісту магнію в піропі замінили залізом.

Саме кількість вмісту магнію/заліза визначає відмінну лінію між піропом і альмандином. Коли в хімічному складі є велика кількість магнію, це піроп. Коли залізо є домінуючим, це гранат альмандин.

Коли суміш знаходиться десь посередині, ми називаємо її піроп-альмандин-гранатом. (Ці суміші можуть мати деякі екзотичні назви, такі як родолит, які тут не мають значення). Слід зазначити, що межі, де це піроп або де це альмандин, знаходяться під важкими дебатами.

Рисунок\(\PageIndex{1}\): Хронологія ізоморфного заміщення магнію/заліза в піроп-альмандині

Як видно на зображенні «часової шкали», що показує заміну магнію залізом, змінюються фізичні та оптичні властивості дорогоцінного каменю. У цьому прикладі (піроп-альмандин) відзначимо, що показник заломлення і питома вага збільшуються.

У наведеному вище прикладі піроп (магній) та альмандин (залізо) є двома «кінцевими членами» з цілим діапазоном можливих значень між ними, залежно від того, скільки магнію або заліза присутня в цьому конкретному дорогоцінному камені.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Трикутник піраль

Можна також намалювати «часові лінії» між піропом і спессартином, або між альмандином і спессартином. З «пірального трикутника» очевидно, що між 3 «кінцевими членами» групи піралспити можливе кожне значення і що фізичні та оптичні властивості змінюються на великій довжині.

Останнє дуже важливо пам'ятати при тестуванні гранатів, так як ніяке значення не буде однаковим. Натомість значення потраплятимуть у «діапазон». Насправді може бути навіть суміш всіх трьох кінцевих елементів.

Так само часові лінії та трикутник можуть бути намальовані для гранатів уграндітів, і навіть можуть бути елементи піралопаті, присутні в гранатах уграндітів. Можливості практично безмежні.

Звичка до граната, однак, не змінюється.

Примітка

Змішання елементів відбувається в момент утворення дорогоцінного каменю, а не після. Так ізоморфне заміщення не відбувається після кристалізації.

Валентність при ізоморфному заміщенні

Хімічна формула граната - L ₃ M ₂ (SiO ₄) ₃, що означає, що перший елемент має валентність 2 ⁺. Елементи з однаковою валентністю можуть легко замінювати один одного, утворюючи нові хімічні зв'язки, як у випадку з гранатом. Не слід плутати наявність мікроелементів з ізоморфним заміщенням. Мікроелементи не входять до складу «ідеального» хімічного складу.

Ізоморфні дорогоцінні камені

Крім граната, є й інші сорти дорогоцінних каменів, які демонструють ізоморфну заміну:

Розширений

Коли два іони зводяться разом, існує відстань, де сила відштовхування різко встановлюється і чинить опір будь-якому ближчому наближенню. Зручно розглядати іони як «сфери» в контакті, а відстань між їх центрами приймається за суму радіусів двох іонів. Аніони, такі як іон кисню, мають великі іонні радіуси, тоді як катіони мають радіуси, які набагато менші.

Загальні катіони, які входять у структуру кристалів, часто мають радіуси аналогічного розміру і можуть замінювати один одного всередині структури, не надмірно напружуючи космічну решітку. Це пояснює явище ізоморфізму і ізоморфного заміщення.

У групах граната і шпінелі магнезія (MgO) і оксид заліза (FeO) широко замінюють один одного. Аналогічним чином, глинозем (Al ₂ O ₃) і оксид заліза (Fe ₂ O ₃) можуть легко замінити один одного всередині кристалічної решітки. Коли відбувається така заміна, може спостерігатися значна зміна хімічного складу без особливого впливу на внутрішню структуру. Це пояснює той факт, що у деяких дорогоцінних каменів одного виду питома вага і показники заломлення не є постійними від зразка до зразка. У деяких видів, таких як гранат, шпінель, турмалін та деякі представники групи берилу (як берил, стоппаніт, індіаліт та базцит), значення показника заломлення та питомої ваги можуть варіюватися в межах широких параметрів. Це важливий фактор, про який слід пам'ятати при тестуванні дорогоцінних каменів.

Джерела

Іменування Gem Гранати - WW Wm. Ганнеман, к.т.н.