Назад к списку

Какие бывают твердые растворы

Принято выделять три типа твёрдых растворов: замещения, внедрения, вычитания. Большинство минералов представляют собой твёрдые растворы замещения, этот тип - наиболее распространённый в природе. Кратко рассмотрим все три типа с примерами.


Представим типы твёрдых растворов схематически: атомы растворяемого отметим оранжевыми точками, а атомы растворителя - фиолетовыми точками. 


Твёрдый раствор замещения 

Образуется при смешении атомов, ионов веществ с примерно одинаковыми ионными радиусами, а также их молекул.


Твёрдый раствор замещения © УРФУ 


Пример: системы Ag-Au, Ti-Zr, Ge-Si. Твёрдые растворы замещения не только самые распространённые, но и стабильные. Потому и распространённые. 


Атомы растворителя замещают атомы растворяемого сохраняя структуру кристаллической решётки растворяемого. Происходит строгое замещение: на позиции атомов растворенного компонента приходят ровно столько же атомов растворителя, ион замещает ион, на позицию молекулы приходит молекула. 


Понятие растворов замещения связано с понятием изоморфизма в кристаллах. Изоморфное замещение это такое событие, при котором кристаллы, имеющие сходное строение кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы с похожими ионными радиусами, могут заместить часть исходных компонентов и обрести новые свойства. Пример: MgCO3 магнезит и FeCO3 сидерит. 


Признаки изоморфизма кристаллов: одинаковая форма кристаллов, разница ионных радиусов элементов не превышает 15%, сохранение электронейтральности конечного соединения.


Изоморфные кристаллы могут образовывать твёрдые растворы с неограниченной растворимостью, в которых структура кристаллической решётки способна постепенно менять форму от структуры растворяемого до структуры растворителя.  Примеры металлов с неограниченной растворимостью:  Ag и Au, Ni и Cu, Ni и Rd, а также Mo и W, V и Ti. Если же ионные радиусы компонентов раствора значительно разнятся, то с их использованием можно получить твёрдые растворы внедрения.



Твёрдый раствор внедрения 

Здесь уже реагируют атомы компонентов или вещества с существенно разными ионными радиусами. Меньшие атомы растворителя внедряются в междоузлия кристаллической решётки большего растворяемого, но это уменьшает стабильность системы и увеличивает её общий размер. 

Твёрдый раствор внедрения © УРФУ


Пример: нержавеющая сталь это раствор внедрения, где маленькие атомы углерода внедряются в большую кристаллическую решетку крупных атомов железа. 


Твёрдый раствор вычитания 


В реакцию обязательно вступает химическое соединение из как минимум двух компонентов, например, оксид железа FeO. К нему добавляют или атомы железа, или кислорода. Атомы начинают присоединяться к кристаллической решетке по своему заложенному природой для этого соединения порядку, а на месте атомов второго вещества, не поступающего дополнительно в систему, образуются вакантные места. Получается кристаллическая твердая фаза с дефицитной решеткой, которую в дальнейшем можно применять в промышленности.


Твёрдый раствор вычитания © УРФУ 


Твёрдые растворы вычитания встречаются и в природе. Пример: Fe0,875S минерал пирротин.

Скрытокристаллическая форма минералов 


Скрытокристаллическая форма минералов, присущая в том числе агату, это микроскопически мелкие кристаллические структуры, плотные, состоящие из тонких волокон или зернышек, агрегатов. Невооруженным глазом можно увидеть только минеральную массу некоторой окраски, а сами кристаллы нет.Скрытокристаллическая форма указывает на тяжелые условия кристаллизации из перенасыщенного раствора, когда одновременно начинает формироваться настолько многокристаллов, что они подавляют рост друг друга. Перенасыщенный раствор образуется при недостатке жидкости.Слагаемые агатаАгат формируется по заданным правилам и можно выделить основные его признаки, но не существует двух абсолютно одинаковых агатов. Каждый агат - это удивительная шкатулка, наполненная своим набором минералов, но в рамках общих правил.ХалцедонОснова любого агата это минерал халцедон, скрытокристаллическая разновидность кремнезёма SiO2. Без халцедона нет агата, но бывает и просто халцедон сам по себе.Халцедон образуется при низкой температуре около 120 градусов Цельсия вблизи земной поверхности.

На первый взгляд халцедон кажется абсолютно гомогенным, но это не так. Он состоит из микроскопически малых волокон и зернышек, имеет поверхность, которая напоминает стеклянную голову, и часто имеет очень разнообразный цвет, потому что халцедон в силу своей волокнистой структуры легко прокрашивается и соединяется с другими минералами. Сам по себе халцедон сероватого цвета и тяготеет к образованию псевдосталактитов в жеодах. Ученые из МГУ заметили, что большинство жеод из серого халцедона имеют больше или меньше псевдосталактитов.

Слагаемые агата

Халцедон Основа любого агата это минерал халцедон, скрытокристаллическая разновидность кремнезёма SiO2. Без халцедона нет агата, но бывает и просто халцедон сам по себе. Старое русское название полосчатого халцедона - перелифть.

Халцедон образуется при низкой температуре около 120 градусов Цельсия вблизи земной поверхности. 

На первый взгляд халцедон кажется абсолютно гомогенным, но это не так. Он состоит из микроскопически малых волокон и зернышек, имеет поверхность, которая напоминает “стеклянную голову”, то есть почковидные агрегаты, и часто имеет разнообразный цвет, потому что халцедон в силу своей волокнистой структуры легко прокрашивается и соединяется с другими минералами. Сам по себе халцедон сероватого цвета и тяготеет к образованию псевдосталактитов в жеодах. Ученые из МГУ заметили, что большинство жеод из серого халцедона имеют псевдосталактиты.

Гелектиты - это способ формирования минеральной массы, растущей в виде веточек или палочек в произвольных направления.

Халцедоновые хитросплетения

Халцедон состоит из тончайших нитей. При изучении агатов с использованием поляризационного микроскопа минералоги обнаружили, что нити халцедона переплетены с нитями очень похожего минерала кремнезема - кварцина. Разница между ними только в том, что волокна халцедона вытянуты вдоль оси симметрии второго порядка L2, а волокна кварцина вытянуты вдоль оси L3, иными словами, волокна халцедона упорядочиваются горизонтально, а кварцина - вертикально.

Кварцин SiO2

Скрытнокристаллическая плотная разновидность SiO2 с волокнистым строением, волокна которого вытянуты вдоль оси L3. Бесцветные или бледные бело-серые агрегаты. Нити кварцина и нити халцедона переплетены друг с другом, но обычно в системе преобладает халцедон. Пишут, что халцедон выглядит более волокнистым по сравнению с похожим на капельки кварцином, но без поляризационного микроскопа увидеть эту разницу невозможно. Так что можно смело отнести эту разницу к дебрям познания агатогенеза.