Isomorfiese vervanging

Isomorfiese vervanging is 'n begrip uit die kristallografie, mineralogie en vastestofchemie.

Vastestowwe is gewoonlik nie in mekaar oplosbaar nie, omrede die boustene van die een struktuur nie in die raamwerk van die ander stof se kristalrooster inpas nie. Atome of ione wat verwante eienskappe en groottes het, is egter 'n uitsondering op hierdie reël. 'n Goeie voorbeeld is die atome van silwer en van goud, wat nie baie in terme van grootte verskil nie, en ook heelwat in hul eienskappe ooreenkom. Die twee metale het byvoorbeeld dieselfde kristalstruktuur. Silwer-atome kan daarom vryelik in die goudrooster ingebou word en die omgekeerde is ook waar. Die oplosbaarheid is onbeperk en ons kan sê dat die twee vastestowwe mengbaar is. Die vaste oplossings word elektrum genoem.

Die kristallyne struktuur van silwer en goud is eenvoudig met 'n klein eenheidsel. Minerale het dikwels 'n struktuur wat ingewikkelder is en die sel is groot. Binne die struktuur is vervanging van die een ioon deur die ander egter in bepaalde gevalle moontlik sonder dat dit die struktuur verander. In silikate is silikon dikwels aanwesig in 'n tetraëder van suurstofatome, maar dit kan vervang word deur aluminiumione wat ook in 'n tetraëdriese omringing 'tuisvoel'. Dit wil sê dat die energie van so 'n konfigurasie laag genoeg is dat dit tot 'n stabiele struktuur lei. Ander ione soos Mg²⁺ en Fe²⁺ kom veral in oktaëdriese omringing voor en kan mekaar vervang. Dieselfde minerale het daarom dikwels 'n samestelling wat van vindplek tot vindplek kan varieer. Gewoonlik sal die parameters wat die eenheidsel beskryf egter wel verander, afhanklik van byvoorbeeld die Mg/Fe-verhouding van die monster. Ook kan die voorkoms van die kristalle verander. Magnesium is kleurloos, by yster kan die kristal groen of bruin gekleurd wees, chroom rooi, mangaan pers, ensomeer.

Struktuurbepaling

Twee totale struktuurfaktore vir 'n gegewe refleksie van twee isomorfe kristalle word op 'n komplekse vlak uitgebeeld, en die verskil word bereken as ΔF. Im dui op die imaginêre komponent, en Re op die reële.

Isomorfiese vervanging word ook opsetlik teweegebring, veral in kristallografie waar dit as kontrasmiddel gebruik word. Die vervanging van 'n atoom deur 'n swaar atoom wat die rooster baie min vervorm sal die diffraksiepatroon net in sy intensiteite verander. Die verskille kan bydra om die struktuur uit te lê of om dit noukeuriger te bepaal. Dié metode is een van die oudste metodes van struktuurbepaling en is reeds deur Cork in 1927 toegepas. Vir stowwe met uitsonderlik groot eenheidselle soos by proteïene word dikwels van 'n meervoudige vervanging gebruik gemaak. Proteïenkristalle word in 'n oplossing van verskeie swaar ione gedompel, om ione wat die proteïenkolekuul in die kristal omgewe uit te wissel met die ione in die oplossings.

'n Besondere geval is dié van isotoopvervanging. Isotope van dieselfde element het amper identiese eienskappe en kan mekaar dus goed vervang. Die diffraksie van X-strale sal egter ook amper dieselfde bly. Die strooiingslengte is net afhanklik van die aantal elektrone van die atoom, dit wil sê die element, nie van die isotoop nie. Dit is anders by neutrondiffraksie. Die strooiingslengte vir neutrone word bepaal deur die atoomkern en verskil daarom van isotoop tot isotoop. Vervanging kan dus gebruik word om die diffraksiepatroon opsetlik te verander. Ongelukkig is isotope dikwels baie duur, maar die vervanging van ¹H deur ²D is bekostigbaar en word wyd toegepas omrede die strooiing van H tot 'n groot mate onelasties is, en 'n agtergrond lewer wat die meting onnoukeurig maak.