Рис. 2.1 Схемы, иллюстрирующие, (а) твердый раствор, в котором 15 атомов (закрашены) беспорядочно распределены по 35 узлам; (б) упорядоченное пространственное расположение, при котором 15 закрашенных атомов находятся в трех рядах узлов, содержащих два типа упорядоченных катионов.

Отнюдь не все изоструктурные минералы образуют изоморфные ряды. Например, такие минералы, как галит NaCl, галенит PbS и периклаз MgO, являются изоструктурными, но не создают друг с другом ряды твердых растворов, так как составляющие их атомы имеют разные размеры и заряды.

2.2.1 Структурный контроль состава

минералов (размер и валентность)

Множество важных в геологическом отношении минералов имеет структуры, которые предоставляют большие возможности для атомных замещений, тогда как некоторые другие минералы характеризуются фиксированным химическим составом. В регулировании атомных замещений важную роль играют два фактора: размер атомов (или ионов) и их формальный заряд, или валентность. Когда какой-либо элемент может иметь

Т^ 2+

ионы различной валентности, например Fe и Fe³+, валентности всегда представляют собой целые числа. С другой стороны, радиус иона зависит от его координации. Как число координирующих ионов, так и их тип оказывают влияние на размер радиуса, который способен изменяться (и действительно изменяется) в определенных пределах значений (см. разд. 1.5.2). Мы уже видели, что кристаллические структуры можно характеризовать числом фиксированных атомных узлов, как катионных, так и анионных, которые имеют четко определенные координации. Поскольку в породообразующих минералах кислород резко преобладает над другими элементами, мы можем считать, что координация катионов задается кислородом. В итоге мы имеем множество катионных узлов, окружающих ионы кислорода. Чтобы катион мог занять конкретный узел, он должен обладать близким размером и аналогичным зарядом с катионом, который это место обычно занимает. На рис. 2.2 (см. также табл. 1.3) приведены заряды и радиусы главных петрогенных катионов. На этом же рисунке для них представлены предпочтительные координационные числа; некоторые катионы могут находиться в двух или более различных координациях. Ион Al³+ встречается в октаэдрической или тетраэдрической координации, но Si⁴+ существует почти исключительно в тетраэдрической координации. Такие крупные катионы, как K+ и Ba²+, благодаря их размерам и низким значениям формальных зарядов, имеют непостоянную координацию, меняющуюся от 8 до 12.

Рис. 2.2 Зависимость между зарядом иона и его номинальным радиусом для главных элементов, встречающихся в породообразующих минералах. Для катионов указаны координационные числа 3, 4, би от 8 до 12 Следует отметить, что в карбонатном ионе СО₃^2- углерод имеет отрицательный ионный радиус.