Đồng hình và dung dịch rắn (Isomorphism and Solid Solutions) là tính chất một nhóm khoáng vật có cùng cấu trúc tinh thể (tức là đồng cấu trúc), trong đó hai hoặc nhiều nguyên tố, ion hay gốc anion chiếm những vị trí nhất định. Nói cách khác, đồng hình là khả năng của các nguyên tử, ion hay các phân tử có thể thay thế nhau để tạo thành các chất có cùng cấu trúc tinh thể nhưng có thành phần thay đổi. Hiện tượng một số nguyên tố có thể thay thế nhau trong các hợp chất hóa học đã được biết đến từ trước khi khái niệm “đồng hình” (isomorphism) được nhà hoá học người Đức E. Mitscherlich đưa ra năm 1819 khi ông nghiên cứu hai hợp chất KH2PO4 và KH2AsO4 có thành phần hóa học khác nhau, nhưng có hình thái tinh thể rất giống nhau (hình dạng là sự kết hợp của lăng trụ tứ phương và lưỡng tháp; góc giữa các mặt tinh thể tương tự nhau). Theo E. Mischerlich, hai chất đồng hình là hai chất kết tinh có cùng cấu trúc tinh thể và tính chất hoá học tương tự, có khả năng tạo ra những tinh thể hỗn hợp gồm cả hai chất. Trong trường hợp nêu trên, nhận thấy có sự thay thế vị trí của hai nguyên tố As và P trong cấu trúc hóa tinh thể mà vẫn giữ nguyên được hình thái của tinh thể khoáng vật. Sau này, các nhà khoa học Nga và phương Tây như D. Mendeleev, V. Vernadskij, A. Fersman, V. Goldschmidt,... đã phát triển và mở rộng khái niệm “đồng hình” của khoáng vật thành “thay thế đồng hình”, “hỗn hợp đồng hình” hay “dung dịch rắn”.

Cho đến nay, trong lĩnh vực tinh thể - khoáng vật học hiện đại, khái niệm đồng hình đã được nghiên cứu rất sâu không chỉ về mặt lý thuyết mà còn được minh chứng bằng tính đa dạng trong thực tiễn của các nhóm khoáng vật đồng hình tìm thấy trong tự nhiên cũng như kết quả tổng hợp các loại khoáng vật, đá quý, các chất bán dẫn (vật liệu mới) trong phòng thí nghiệm.

Khoáng vật đồng hình được phân chia thành hai nhóm: nhóm khoáng vật đồng hình liên tục (không giới hạn) và nhóm khoáng vật đồng hình không liên tục (giới hạn). Đồng hình liên tục là hiện tượng thay thế không giới hạn của các nguyên tố hóa học hay nhóm nguyên tố trong cấu trúc hóa tinh thể của khoáng vật. Ví dụ, trong nhóm khoáng vật olivin có công thức hóa học chung (Mg, Fe)2[SiO4], hai nguyên tố magie và sắt thay thế cho nhau (Mg2+↔ Fe2+) trong cấu trúc tinh thể để hình thành dãy đồng hình liên tục forsterit Mg2[SiO4] - bronzit (Mg, Fe)2[SiO4] - fayalit Fe2[SiO4]. Đồng hình không liên tục là hiện tượng thay thế trong cấu trúc tinh thể của ion nguyên tố B cho ion nguyên tố A trong một giới hạn nhất định. Khi thay thế vượt quá một giới hạn nào đó sẽ có sự biến đổi các thông số cấu trúc tinh thể, tính chất vật lý, quang học, dẫn đến hình thành khoáng vật mới. Ví dụ, trong trường hợp khoáng vật sphalerit (Zn, Fe)S, khi ion Fe2+ thay thế cho ion Zn2+ dưới 20% khối lượng thì cấu trúc và các tính chất của sphalerit vẫn được bảo toàn, nhưng khi sắt thay thế kẽm vượt quá giới hạn trên thì sphalerit biến thành khoáng vật mới là marmatit.

Có nhiều yếu tố quyết định sự thay thế đồng hình của các nguyên tố hóa học trong cấu trúc tinh thể của khoáng vật:

1. kích thước bán kính ion hiệu dụng (r) - các nguyên tố đồng hình có thể thay thế cho nhau khi bán kính ion hiệu dụng của chúng gần bằng nhau (không nhỏ hoặc lớn hơn 15%)
2. bản chất hóa học tương đồng của các nguyên tố
3. cấu tạo điện tử, liên kết hóa học và điện tử hóa trị giống nhau của các nguyên tố thay thế đồng hình
4. Đối với những khoáng vật có thành phần hóa học phức tạp, hiện tượng thay thế đồng hình diễn ra không chỉ cho một cặp đôi nguyên tố nhất định mà có thể diễn ra đối với tổ hợp các nguyên tố. Điều kiện bắt buộc ở đây là tổng điện tích của các tổ hợp nguyên tố đồng hình phải bằng nhau
5. Điều kiện nhiệt động học.

Dung dịch rắn hình thành trong tự nhiên khi hai khoáng vật (cấu tử đồng hình) hòa trộn với nhau trong môi trường hóa lý cân bằng với áp suất không đổi (P = const), còn nhiệt độ thì thay đổi theo xu hướng giảm. Hai khoáng vật “cấu tử đồng hình” thường có mạng hóa tinh thể tương đồng. Các icon (nguyên tố hóa học) có thể di chuyển, khuếch tán và thay thế nhau trong cấu trúc mạng tinh thể ở trạng thái rắn, hình thành cấu tử đồng hình (khoáng vật độc lập). Hiện tượng đồng hình rất phổ biến trong tự nhiên, đóng vai trò quan trọng trong sự di chuyển và tập trung các nguyên tố trong vỏ Trái đất, nhất là các nguyên tố hiếm và phân tán. Hiện tượng thay thế đồng hình tạo ra nhiều tính chất hữu ích của vật liệu như chất bán dẫn, vật liệu áp điện, vật liệu laze. Trong khoa học vật liệu hiện đại, một trong những ứng dụng dung dịch rắn là sản xuất các vật liệu cấu trúc và vật liệu chức năng, đặc biệt là vật liệu composit và nanocomposit.

Tài liệu tham khảo

1. Đỗ Vân Thanh, Trịnh Hân, Khoáng vật học, Nxb. ĐHQGHN, 2003.
2. Nguyễn Văn Giảng, Nguyễn Văn Bình, Giáo trình tinh thể khoáng vật, Nxb. KH&KT, 2016.
3. Бокий Г. Б, Кристаллохимия, 3-е изд. М., 1971.