Электризация слюды

При расщеплении кристаллов наблюдается макроскопическая мозаичная электризация, характер которой виден на рисунке.

Здесь графически представлено изменение потенциала зонда площадью 0,1 мм2 при его перемещении в области расщепления со скоростью 0,1 мм/сек, в вакууме несколько мм рт. Ст. Заряд площадок размером 1-1,5 мм изменяется беспорядочно как по величине, так и по знаку.

Электризация, по-видимому, связана с переходом электрона между смежными пакетами от иона кислорода (энергии связи 3,9 электроновольта) к иону калия (энергия связи 4,3 электроновольта).

Статическое распределение ионов калия между пакетами может объяснить мозаичный характер электризации.

Средняя плотность зарядов обычно составляет 20-30 абсолютных единиц заряда на 1 см2. Максимальная плотность, оцененная методом Керр-эффекта, примерно на порядок выше.

Конечная скорость процесса нейтрализации электростатических зарядов на поверхностях обуславливает сильную зависимость работы расщепления кристаллов от скорости.

На графике представлено изменение работы расщепления от скорости при толщине отрываемых пластинок 20 мк (1) и 70 мк (2). Видно, что при малых скоростях работа не зависит, затем быстро растет со скоростью и, наконец, в широкой области скоростей практически не изменяется, но растет с толщиной пластинок.

Кривые 3, 4, 5 соответствуют потенциалам, регистрируемым в области расщепления с помощью катодного осциллографа для флогопита (3), мусковита (4) при расщеплении в воздухе и (5) в вакууме 10-2 мм рт.ст.

Аналогичный ход этих кривых свидетельствует об основной роли электризации в процессе расщепления кристаллов слюды. Следовательно, при расщеплении совершается работа в основном против электростатических сил. Об этом же свидетельствует сильная зависимость величины работы расщепления от среды, иллюстрируемая следующими данными.

Среда

Работа расщепления, эрг/см2

Воздух ионизированный, давление 0,1 мм рт.ст.

480

Воздух сухой

650

Воздух влажный (относительная влажность 40 %)

300

Воздух влажный (относительная влажность 100 %)

200-250

Вода

150

Спирт этиловый

200

Бензол

323

Вакуум высокий

650-7000

Теоретическая, для дипольной модели

300

Минимальная работа оказывается в воде, а максимальная в вакууме.

В случае адсорбции и последующей капиллярной конденсации паров воды в области раскола кристалла (область раскола очень гигроскопична и быстро насыщается водой) работа расщепления резко уменьшается вначале за счет адсорбционного понижения прочности вследствие появления на поверхности молекул воды (эфф. Ребиндера), а затем – расклинивающего давления. Водный клин раскалывает кристалл, углубляя трещину (эфф. Дерягина).

По работе расщепления в воде и этиловом спирте может быть оценена работа сил адсорбционного понижения прочности и расклинивающего давления, оказавшаяся ~ 400 эрг/см2, т.е. она составляет около половины равновесной удельной работы образования двух поверхностей кристалла слюды.

Таким образом, в зависимости работы расщепления от скорости и толщины пластинок при расщеплении во влажном воздухе, представляющем наибольший интерес для практики, существуют 4 области, довольно четко определяемые величиной скорости.

1. При скорости, меньшей 0,2 мм·сек-1, работа не зависит от скорости и толщины. Капиллярная конденсация молекул воды в вершине области расщепления устраняет электростатические заряды и сводит к минимуму взаимодействие поверхностей.

2. В интервале изменения скоростей от 0,2 до 1 мм/сек работа растет пропорционально скорости вследствие уменьшающегося влияния капиллярной конденсации в области расщепления, а при малых влажностях в результате адсорбции молекул воды и поверхностной электропроводности.

3. В интервале скоростей от 0,2 до 1 см/сек капиллярная конденсация отсутствует. Работа не изменяется со скоростью, так как образование отдельных элементов поверхности происходит посредством скачков, величина и заряд которых в этом интервале скоростей мало изменяются. Но работа растет с толщиной пластинок вследствие увеличения размеров элементов электростатической мозаики (этот процесс частично имеет место и во 2-й области).

4. При скоростях, больших 1 см/сек, работа быстро растет со скоростью за счет увеличения размеров заряженных площадок.

Важнейшей характеристикой поверхности является ее свободная энергия, равная равновесной работе образования 1 см2 поверхности кристалла. Трудность ее измерения связана с влиянием электризации и капиллярной конденсации при расщеплении.

Электростатические заряды поверхности снимались поверхностной электропроводностью и электрическим разрядом в газе.

На рисунке по горизонтальной оси вначале отложен путь, проходимый расщепляющим клином в вакууме 10-2 мм рт.ст.

Видно, что работа быстро растет по мере обнажения ювенильных поверхностей. Затем клин остается неподвижным, но фронт расщепления сам по себе постепенно перемещается, что соответствует уменьшению работы в связи с нейтрализацией электростатических зарядов на поверхности.

Примерно через 100 минут на разделяемых поверхностях остаются лищь одиночные заряды, дающие работу расщепления 1300 эрг/см2.

После включения фактора ионизации (электрического разряда) в газе работа скачком падает до 960 эрг/см2, а при впуске влажного воздуха – до 760 эрг/см2 вследствие нейтрализации остаточных зарядов в адсорбционной водной пленки. Это значение и может быть принято за удвоенную величину свободной энергии плоскости спайности кристалла. Результат экспериментальных измерений близок к теоретически рассчитанному на основе дипольной модели(~ 600 эрг/см2). При расчете учитывалось притяжении пакетных диполей и отталкивание ионов калия, гидроксильных групп, а также кислородных атомов. Таким образом, оказалось возможным определить фундаментальную характеристику кристалла – величину его свободной энергии для плоскости совершенной спайности (380 эрг/см2).

ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О СЛЮДЕ

Впервые синтетическая слюда, фторфлогопит, была получена российским ученым К.Д. Хрущевым в 1887 году. Искусственная слюда почти прозрачна и по ряду характеристик превосходит природную.
Термостойкость мусковита, т. е. температура, при которой он сохраняет свои свойства, достигает 700 градусов Цельсия. Для сравнения, температура плавления алюминия составляет 660 градусов, свинца — 327, серебра — 962.
В середине XVII века цена листовой слюды варьировалась от 20 до 50 копеек за лист. Для сравнения, иностранные купцы того времени платили за 1000 белок 16 рублей, за пуд черной икры — 1 рубль.
В XVIII веке на ежегодных Иркутских ярмарках слюда занимала важное место наравне с традиционными сибирскими товарами — пушниной, кожей, серебром. Здесь она закупалась российскими купцами и вывозилась в Москву.
Химический состав состав слюды доходит до 40 элементов. При этом резкие колебания в химическом составе наблюдаются даже в слюдах одного месторождения и, нередко, одного кристалла.
В годы Великой Отечественной войны потребность в высококачественной слюде, используемой в оборонной промышленности, резко увеличилась. Слюда была в остром дефиците: Карельские месторождения были захвачены врагом, Бирюсинское истощилось. Вся добыча мусковита велась только на Мамско­-Чуйском месторождении.
Слюда мусковит обладает высокой химической стойкостью. Соляная кислота его не разлагает при нагревании до 300 градусов Цельсия. Он также не восприимчив к щелочам.
Слюда мусковит прозрачна, имеет стеклянный блеск. Флогопит, как правило, темная слюда, просвечивающая лишь в тонких листах.
Слюда является одним из наиболее распространенных минералов земной коры. В обычных горных породах она встречается в виде мельчайших чешуек. Промышленные же месторождения, где кристаллы достигают крупных размеров, чрезвычайно редки.
Слюда, обладая высокими диэлектрическими свойствами, значительной термостойкостью, способностью расщепляться на тончайшие листы, является непревзойденным электроизоляционным материалом, широко применяемым в радиотехнике.
Слово «слюда» («слуда») ­ исконно русское. Смысл выражения «слудиться» издревле означал ­«слоиться». Впервые слово «слуда» упоминается в «Остромировом евангелии» (1057 г.)
Выход готовых изделий из листовой слюды от добытого сырья составляет в среднем 8,25%. Это обуславливает достаточно высокую цену на изделия и их дефицит.
В России начала XXI века сложилась парадоксальная ситуация: держава, обладающая огромными ресурсами слюды, вынуждена покупать ее за границей, т. к. собственная добыча практически не ведется. История циклична: абсолютно идентичная ситуация наблюдалась в начале прошлого столетия.
Вторая половина XVIII ознаменовалась успехами в производстве стекла, снижением его цены. Это привело к падения спроса на слюду, сокращению ее добычи. Однако, иллюминаторы боевых кораблей продолжали делать из слюды, т. к. стеклянные не выдерживали залпов орудий.
Название разновидности слюды «вермикулит» произошло от латинского слова «червячок», т. к. при нагревании он образует длинные червеобразные столбики и жгуты.
В древнем индейском городе Теотиуакан в Мексике обнаружено странное сооружение, названное «Слюдяной храм». Подобных сооружений не обнаружено больше нигде в мире. Его уникальность заключается в том, что строение сверху прикрывает двойной слой слюды­ мусковита, назначение которого до сих пор неизвестно.
Пластины слюды широко используются и как материал для дизайна. Так, слюда используется для каминных экранов, создавая декоративный эффект и одновременно защищая от воздействия высоких температур.
Один из крупнейших в истории кристаллов мусковита был найден в Канаде. Его размер составил 1,95х2,85х0,6 м и весил он около 7 тонн.
Если в бетон добавить слюду, это резко повысит его прочность, при этом снизится тепло­- и звукопроводность.
Во времена Петра I существовал большой спрос на слюду («московское стекло») со стороны Западной Европы и Америки, используемую для иллюминаторов боевых кораблей, который удовлетворялся, в основном, за счет Мамской слюды.
Слюда относится к электроизоляционным материалам высшего класса нагревостойкости: при нагреве до нескольких сот градусов она сохраняет свои электрические свойства.
В соответствии со спектральной классификацией астероидов выделяют довольно редкий тип углеродных астероидов класса G. Считается, что эти астероиды в основном сложены из низкотемпературных гидратированных силикатов, таких как слюда и глина с примесью углерода или органических соединений.
За точку отсчета слюдяного промысла в Мамско­-Чуйском районе принято считать август 1689 года, когда Якутский воевода Зиновьев выдал казаку Афанасию Пущину  «Наказную память», которой он обязывался «...сыскать и промыслить по Витиму реке слюды...»
Ни древние греки, ни римляне не были знакомы со слюдой. В ученых трактатах Западной Европы стали называть слюду «Витрум Московитикум», т. е. стекло Московии. Позднее название упростилось, стало короче ­ «московит» и, наконец, в минералогии укрепилось как «мусковит»
Мусковит — стратегическое сырье, применяется в 22 направлениях, «от косметики до космоса».