Кристаллические полости и структуры гидратов

Пять видов полостей газовых клатратных гидратов представлены на рис. 7: (a) пентагональный додекаэдр (), (b) тетрадекаэдр (), (c) гексадекаэдр (), (d) неправильный додекаэдр (), и (e) неправильный икосаэдр ().

Полости в гидратах. Известные три гидратные структуры составлены пятью многогранниками, образованными молекулами воды, соединёнными водородными связями.

Пентагональный додекаэдр (12-гранная полость) на рисунке обозначен , потому что состоит из 12 пятиугольных граней (, ) с равными длинами рёбер и равными углами. Это базовый строительный блок, представленный во всех известных структурах гидратов природных газов как малая полость пятиугольный додекаэдр. Составляет основу всех трёх структур (входит, соответственно, в количестве 2, 16, 3).

Тетрадекаэдр (14-гранная полость) обозначается , потому что состоит из 12 пятиугольных и 2 шестиугольных граней. Входит в структуру в количестве 6.

Гексадекаэдр (16-гранник) обозначается , потому что в дополнении к 12 пятиугольным граням, он содержит 4 шестиугольные грани. Входит в структуру в количестве 8.

Рис. 7. Пять полостей газовых клатратных гидратов: (a) пентагональный додекаэдр (), (b) тетрадекаэдр (), (c) гексадекаэдр (), (d) неправильный додекаэдр (), и (e) неправильный икосаэдр ().

Неправильный додекаэдр () состоит из трёх квадратных граней и шести пятиугольных граней, и дополнен тремя шестиугольными гранями. Входит в структуру в количестве 2.

Неправильный икосаэдр () – самая большая полость, состоит из 12 пятиугольных граней, окружён 6 шестиугольными гранями и ещё двумя шестиугольными гранями одна на вершине, а другая в основании. Входит в структуру в количестве 1.

Неправильный додекаэдр () и неправильный икосаэдр ( ). Входят в структуру количествах 2 и 1.

Две отличительные черты должны быть отмечены для ячеек и : (1) квадратные и шестиугольные грани – в наибольшей степени напряжены и (2) они значительно менее сферические, чем полости .

Структура является примером связи вершин полостей в трёх измерениях, в то время как структура является иллюстрацией соединения в результате деления общей грани полостей в трёх измерениях.

Термодинамические и структурообразующие процессы, которые происходят, когда молекулы воды находятся вблизи гидрофобных элементов (воду нелюбящих, нерастворимых в воде), называют обобщённо, как «гидрофобная гидратация». Гидрофобная гидратация важна при образовании газового гидрата, которое обычно начинается на гидрофобной молекуле газа (например, метане), проникшей в жидкую воду.

В модели «айсбергов» Франк и Эванс, льдо-подобные структуры образуются вокруг гидрофобных элементов, таких как метан. В этой модели гидрофобные молекулы укрепляют локальную водную структуру (больший тетраэдральный порядок) по сравнению с чистой водой.

Упорядочение водной гидратационной оболочки вокруг гидрофобных молекул относится к клатратному поведению, в котором водная гидратационная оболочка доминирует пентагональными гранями по сравнению с объёмной жидкой водой.

Хотя в гидратационной оболочке имеется большее число пентагонов, по сравнению с объёмом, гидратационная оболочка также содержит значительное число гексагонов и больших полигонов.

Так как гидратные полости более расширены, чем полости льда, то они предохранены от разрушения в результате отталкивания гостевыми молекулами, присутствующих либо собственно в полости, или в большей степени в соседних полостях.

Дата добавления: 2014-12-17