Изоморфизм
Значение слова Изоморфизм по Ефремовой:
Изоморфизм - Параллелизм в организации звуковой и смысловой сторон языка (в лингвистике).
Свойство веществ сходного химического состава
образовывать кристаллы одинаковой
формы.
Изоморфизм в Энциклопедическом словаре:
Изоморфизм - свойство различных, но родственных по химическому составувеществ кристаллизоваться в одинаковых структурах при одном типехимической связи. Изоморфные вещества могут образовывать кристаллыпеременного состава в результате взаимозамещения атомов, ионов или атомныхгрупп (твердые растворы замещения).
(от изо... и
греч. morphe - форма) -
понятие современнойматематики, уточняющее
широко распространенное
понятие аналогии, модели.Изоморфизм -
соответствие (отношение)
между объектами, выражающеетождество их структуры (строения).
Значение слова Изоморфизм по словарю Ушакова:
ИЗОМОРФИЗМ, изоморфизма, мн. нет, м. (от греч. isos - равный и morph - форма) (мин.). Способность двух или нескольких веществ сходного химического состава кристаллизоваться в одинаковые формы.
Определение слова «Изоморфизм» по БСЭ:
Изоморфизм - Изоморфизм (от изо... и греч. morphй - вид, форма)
свойство веществ, аналогичных по химическому составу, кристаллизоваться в одинаковых формах. Впервые было показано немецким минералогом Э. Мичерлихом (1819) на примере KH2PO4, KH2AsO4 и NH4H2PO4. Вскоре было обнаружено, что первые два вещества образуют смешанные кристаллы
(«твёрдые растворы») с единой внешней формой при произвольном отношении P : As, в то время как в других парах аналогичные замещения ограничены количественно. Первый случай отвечает понятию «совершенный И.», а второй - понятию «ограниченный»,
или «несовершенный И.». Если количества замещающего элемента невелики, но существенны для поисковика минералога-геохимика, то говорят об эндокриптии (по А. Е. Ферсману, замещение узлов кристаллических решёток ионами того же знака, но разных свойств и мало сходных величин). Требование родственности взаимозамещающихся элементов при И. первоначально понималось как чисто химическая близость, и первые ряды изоморфных элементов (В. И. Вернадский; см. Геохимия) повторяли группы менделеевской системы с некоторыми дополнениями известных из аналитической химии групп, например Al, Cr, Fe. Выяснилось, однако, что невозможно, например, замещение Na на Rb; твёрдые растворы К- и Na-coeдинений энергично распадаются при низких температурах (распад К-, Na-полевых шпатов).
Решающим для объяснения этих явлений при И. было введение (В. М. Гольдшмидт, 1926) представления об ионных радиусах, близость которых стала одним из основных условий И. У полновалентных катионов (Na1+, Mg2+,..., S6+,...) ионный радиус r быстро уменьшается вдоль строки менделеевской системы и резко увеличивается вдоль вертикали на величины, большие чем 10-15% (экспериментальный предел для возможности И.). В результате изоморфными оказываются элементы, соседние по диагоналям (Д. И. Менделеев, А. Е. Ферсман), например ряд Na-Ca (rNa = 0,98Е, rCa = 1,02Е), который представлен в плагиоклазах, составляющих более 50% земной коры. Эта диагональ продолжается к редкоземельным элементам, и именно благодаря постоянному изоморфному вхождению редкоземельных элементов в Са-минералы эти элементы долгое время считались двухвалентными (только Д. И. Менделеев перевёл их в III группу). Другие характерные
«диагональные» пары: Li-Mg, Mo-Re, Be-Al и т. д. Если, однако, строки менделеевской системы длинные (с 32 клетками), то описанное сокращение радиусов вдоль строки заходит так далеко, что катионы одной и той же менделеевской группы выравнивают свои радиусы, т. е. у элементов одной группы, разделённых по вертикали
«лантанидным сжатием», И. становится весьма ярко выраженным. Это относится к парам Ba-Ra, Zr-Hf, Nb-Ta и др. Но как ни близки между собой Nb и Ta, их легче отделить друг от друга, чем отделить от Ti, с которым они связаны диагональным изоморфизмом. Таким образом, изовалентный И. представлен намного скромнее (во всяком случае количественно), чем гетеровалентный И. Возникает вопрос, как компенсировать в структуре кристалла изменение валентности, например её увеличение при И. Ca2+ → Na1+. Решение просто, когда элемент на середине диагонали замещается двумя соседними по разные стороны, например
2Ca2+ Na1+ + La3+, 2Ti4+ Fe3+ + Nb5+.
Особенно часто компенсация достигается за счёт одновременного гетеровалентного И. «в обратном направлении». В плагиоклазах замена Ca2+ на Na1+ сопровождается параллельно замещением Al3+ на Si4+:
CaAl2Si2O8 NaAlSi3O8.
Возникает вопрос, как быть с радиусами Si4+(0,39Е) и Al3+(0,57Е), различающимися на 46%. Значительная разница между радиусами не является препятствием при гетеровалентном И., так как в анионной, более отрицательной части соединений заменяют друг друга не атомы, а тетраэдрические группы, например SiO4-4 и AlO5-4, в которых эффективные расстояния Si-О и Al-О (1,72 и 1,90Е) разнятся всего лишь на 9%. Литий, например, в более «катионной» форме, имеющий координацию 6, замещает по правилу диагонали Mg (в биотитах); находясь же среди четырёх О, способен заменить Be в берилле: [LiO4] → [BeO4].
Разобранные закономерности касаются в основном случаев изоморфных замещений между полновалентными ионами типа «благородных газов» в соединениях, которые подчиняются законам элементарной энергетики (формулы А. Ф. Капустинского). Для переходных металлов, образующих соединения существенно ковалентного типа и стремящихся создать возле себя за счёт донорско-акцепторного механизма группы электронов 8, 13-14, 18, закономерности И. иные. Так, в случае пары элементов с одним и тем же радиусом, например Zn2+ и Fe2+, мы встречаемся с односторонним И. Цинк в своём главном соединении ZnS (сфалерит) допускает вхождение до 20% Fe, но Zn совершенно отсутствует в FeS. Причина лежит в возможности для Fe иметь как шестерную координацию, так и четверную, тогда как для Zn всегда в сульфидах - четверная координация.
И. очень распространён в природе. Широким развитием изоморфных замещений объясняется сложный химический состав большинства минералов, особенно из группы силикатов. Примером совершенного И. являются минералы переменного состава, дающие непрерывные ряды: плагиоклазы, скаполиты, вольфрамиты и др. Законы изоморфного замещения объясняют распределение редких элементов, находящихся в виде примесей в горных породах и рудах. Так, значительная часть иттрия и редких земель находится в апатите, сфене и флюорите, изоморфно замещая кальций; трёхвалентный ванадий замещает в магнетите окисное железо; селен - серу в пирите и т. д. Учение об И. является основой для изучения форм нахождения элементов в горных породах и процессов концентрации и рассеяния химических элементов в земной коре.
Лит.: Вернадский В. И., Очерки геохимии, 4 изд., М. - Л., 1934; Ферсман А. Е., Геохимия, 2 изд., т. 1, Л, 1934; Менделеев Д. И., Соч., т. 1, Л., 1937; Гольдшмидт В. М., Кристаллохимия, пер. с нем., Л., 1937; Сто лет периодического закона химических элементов, М., 1969.
Н. В. Белов.
Изоморфизм - одно из основных понятий
современной математики, возникшее
сначала в пределах алгебры в
применении к
таким алгебраическим образованиям, как группы,
кольца, поля и т. п., но оказавшееся весьма существенным для общего
понимания строения и области возможных применений каждого раздела математики.
Понятие И. относится к системам объектов с заданными в них операциями или отношениями. В качестве простого примера двух изоморфных систем
можно рассмотреть систему R всех действительных чисел с
заданной на ней операцией
сложения x = x
1+ x
1 и систему P положительных действительных чисел с заданной на ней операцией
умножения y = y
1y
2.
Можно показать, что внутреннее
«устройство» этих двух систем чисел совершенно
одинаково. Для этого достаточно систему R
отобразить в систему P, поставив в
соответствие числу x из R
число y = a
x (а > 1) из Р.
Тогда сумме x = x
1 + x
2 будет соответствовать произведение y = y
1y
2 чисел y
1 = a
x1 и y
2 = a
x2, соответствующих x
1 и x
2.
Обратное отображение P на R имеет при этом вид x = log
a y. Из любого
предложения, относящегося к сложению чисел системы R, можно
извлечь соответствующее ему предложение, относящееся к умножению чисел системы P.
Например, если в R сумма
s
n = x
1+x
2+...+x
nчленов арифметической
прогрессии выражается формулой
то в P произведение
p
n = y
1y
2...y
nчленов геометрической прогрессии выражается формулой
(умножению на n в системе R соответствует при
переходе к системе P
возведение в n-ю
степень, а делению на два -
извлечение квадратного корня).
Изучение свойств одной из изоморфных систем в
значительной мере (а с абстрактно-математической точки зрения -
полностью) сводится к изучению свойств
другой. Любую систему объектов S′, изоморфную системе S, можно
рассматривать как «модель» системы S («моделировать систему S при помощи системы S′») и
сводить изучение самых разнообразных свойств системы S к изучению свойств «модели» S′.
Общее
определение И. систем объектов с заданными на них в конечном числе отношениями между постоянным для каждого отношения числом объектов таково.
Пусть даны две системы объектов S и S′,
причём в
первой определены отношения
F
k(x
1,x
2,...), k = 1,2,...,n,
а во второй - отношения
F′
k(x′
1,x′
2,...), k = 1,2,...,n.
Системы S и S′ с указанными в них отношениями называются изоморфными, если их можно
поставить в
такое взаимно однозначное соответствие
x′= φ(x), x = &psi(x′)
(где x - произвольный элемент S, а x - произвольный элемент S), что из наличия F
k (x
1,x
2,...) вытекает F
k (х
1,х
2,...), и
наоборот. Само указанное соответствие называется при этом изоморфным отображением, или изоморфизмом. [В приведённом выше примере в системе R
определено отношение F (x, x
1, x
2), где x = x
1 + x
2, в системе P - отношение F (y, y
1, y
2), где y = y
1y
2; взаимно однозначное соответствие устанавливается по формулам y = a
x, x = 1og
ay.]
Понятие И. возникло в теории групп, где
впервые был понят тот факт, что изучение
внутренней структуры двух изоморфных систем объектов представляет собой одну и ту же задачу.
Аксиомы
любой математической теории определяют систему объектов, изучаемую этой теорией, всегда только с
точностью до И.: аксиоматически построенная математическая
теория, применимая к какой-либо одной системе объектов, всегда полностью применима и к другой.
Поэтому каждая аксиоматически изложенная математическая теория допускает не одну, а много
«интерпретаций», или «моделей» (см., например, в ст. Геометрия,
раздел Истолкование геометрии).
Понятие И. включает в себя как
частный случай
понятие Гомеоморфизма, играющее
основную роль в топологии.
Частным
случаем И. является
автоморфизм - взаимно однозначное отображение
x′ = φ(x), x = &psi(x′)
системы объектов с заданными отношениями F
k(x
1, x
2, ...) на самоё себя, при котором из F
k(x
1, x
2, ...) вытекает F
k(x′
1, x′
2, ...), и наоборот. Это понятие тоже возникло в теории групп, но
потом оказалось существенным в самых различных разделах математики.
Лит.:
Курош А. Г., Курс высшей алгебры, 3 изд., М. - Л., 1952;
Энциклопедия элементарной математики, под ред. П. С.
Александрова [и др.], кн. 2, М. - Л., 1951.
Изомлеть
Изоморфизм
Изоморфные Ряды