S&T (Super Tehnology)

Известно, что самые распространенные сложные горные породы (гранит, гнейсы) содержат кристаллы кварца, полевого шпата и слюды. В состав полевых шпатов кроме оксида кремния и алюминия входят еще и оксиды калия, натрия и кальция. Обычный полевой шпат содержит оксид калия и известен под названием ортоклаз. Ортоклаз, разлагаясь под воздействием воды, превращается в алюмосиликат известный под названием каолин.

Чистый каолин встречается сравнительно редко и содержится в связанном состоянии в горных породах и в различных глинах, составляя их основу. Чтобы определить механические свойства различных глин и горных пород, необходимо выяснить структуру каждой из молекул, входящих в каолин, какие они образуют кластерные структуры и как эти кластерные структуры взаимодействуют друг с другом.

Строение молекул, кластеров и кластерных образований А12О3. Образование молекулы А1203 обусловлено взаимодействием атома кислорода с двумя радикалами А10.

Результирующая энергия связи частиц в молекуле А1203 определяется диполь-дипольным взаимодействием и ковалентной связью между радикалами А10 и взаимодействием атома кислорода с двумя радикалами А10 ковалентной и долей ионной связями.

Энергия диполь-дипольного взаимодействия между радикалами А10 будет наибольшей, когда электрические диполи этих молекул расположатся последовательно друг за другом.

При таком расположении молекул А10 их энергия диполь-дипольного взаимодействия равна 0,669 эВ, а при параллельном расположении только 0,477 эВ. Ковалентная связь составляет 0,270 эВ. Атом кислорода с двумя молекулами А10 обладает ковалентной связью 0,279 эВ и долей ионной связи 5,70 эВ. Следовательно, результирующая энергия образования молекулы А1203 составляет ~ 6,92 эВ, а энергия разрыва связи атома кислорода с двумя молекулами А10 (2 А10 — О) — 5,97 эВ. Для изолированной молекулы А1203 дипольный электрический момент составляет 6,054 Б. Энергия ионизации равна 9,5 эВ.

Результирующая энергии связи для молекулы Al2O3 составляет 9,513 эВ. Размеры молекулы 3,634Х4,090 А. Такое расположение атомов в молекуле А1203 обусловлено минимумом потенциальной энергии взаимодействия исходных атомарных структур.

Молекулы глинозема, обладая большим значением электрического дипольного момента, в конденсированном состоянии образуют различные конфигурации. Известны три модификации кристаллического состояния глинозема а -, в- и у - А1203.

а - А1203 - это кристалл корунда. Он имеет размер 4,75 ... 12,97 А с мольным числом 6. С учетом энергии расталкивания бинарное взаимодействие ближайших частиц в горизонтальном направлении составляет 0,176 эВ. В вертикальном направлении с учетом принципа суперпозиции электрических полей бинарное взаимодействие составляет 0,734 эВ. Результирующая энергия связи частиц в кластере равна 2,173 эВ. В среднем на одну молекулу А1203 приходится 0,306 эВ. Средняя температура, при которой произойдет разрушение кластерного образования, т.е. плавление, равна 2366 К. Экспериментальное значение температуры плавления 2323 К, что, в пределах ошибки, равной 1,5.. .2,0%, совпадает с теоретически найденным значением.

Р-А1203 представляет собой тригональную систему размером 5,56.22,55 А с мольным числом 12. Энергия связи частиц в такой структуре слабая вследствие большого удаления частиц друг от друга. Практического интереса такая модификация не представляет, так как она разрушается при сравнительно низких температурах.

у-модификация А1203 обладает кубической структурой размером 7,895 А с мольным числом 8. Это объемоцентрированная структура. Энергия связи бинарного взаимодействия в горизонтальной плоскости 0,0766 эВ, а в вертикальной плоскости - 0,261 эВ. Результирующая энергия связи молекул в кластере 0,828 эВ со средней энергией связи на одну молекулу 0,138 эВ. Разрыв такой связи происходит при 1070 К. При этой температуре у - А1203 распадается и начинает формироваться а - модификация. Размер основного кластера в а-модификации ~ 1,09 нм. В период образования гранитных пород на Земле температура была выше 1070 К и поэтому глинозем пребывал в виде а-модификации.