Газовые гидраты

ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ, клатраты, которые образованы включением молекул газообразных веществ (или легколетучих жидкостей) в полости кристаллического каркаса, построенного посредством водородных связей из молекул воды. В состав гидратов могут входить газы, молекулы которых имеют диаметр 0,38-0,92 нм (Аr, Хе, О₂, N₂, Сl₂, Br₂, Н₂S, СО₂, SO₂, ClO₂, углеводороды С₁-С₄ и их галогенпроизводные и др.). Исследования газовых гидратов начались в 1811 году, когда Г. Дэви получил гидрат хлора Сl₂·5,75Н₂О при насыщении хлором воды при 0 °С.

Для газовых гидратов наиболее распространены три типа клатратных каркасов: кубическая структура I, в которой структурный фрагмент образован 46 молекулами Н₂О и включает 6 больших полостей и 2 малых, кубическая структура II, в которой фрагмент образован 136 молекулами Н₂О и включает 8 больших полостей и 16 малых, и гексагональная структура, в которой на одну большую полость приходится 5 малых. При образовании газовых гидратов в основном заполняются полости каркаса, максимально соответствующие размерам молекул газа. Если все полости заполняются молекулами одного и того же газа (причём в каждую молекулярную полость входит только одна молекула газа), на одну молекулу газа приходится 5,75, 7,67 или 17 молекул воды (например, Хе?5,75Н₂O, цикло-С₃Н₆?7,67Н₂О, С₃Н₈?17Н₂О). Частичное или полное заполнение полостей в клатратных каркасах молекулами газов приводит к дополнительной стабилизации каркаса. Термодинамическая устойчивость гексагональной структуры достигается при одновременном заполнении крупными молекулами больших полостей и вспомогательными молекулами соответствующего размера малых полостей (например, СН₃С₆Н₁₁?5Н₂S?34Н₂O). Реализация конкретной структуры обусловлена не только размерами молекул газа, но и условиями (температура, давление, состав газовой смеси и др.) образования газовых гидратов.

Газовые гидраты - твёрдые кристаллические вещества, по внешнему виду напоминающие снег или рыхлый лёд; могут существовать при положительных температурах. Имеют относительно малую область термодинамической устойчивости (например, теплота разложения СН₄?5,75Н₂O всего 54 кДж/моль).

Газовые гидраты образуют газы газовых и газоконденсатных месторождений. Многие технологические процессы (в частности, добычи, переработки и транспортирования природных газов) сопровождаются образованием газовых гидратов; для предотвращения гидратообразования в газовый поток вводят ингибиторы (например, низшие алифатические спирты, гликоли, различные ПАВ) или производят осушку газов. Образование газовых гидратов может использоваться для опреснения морской воды, хранения газов, при разделении газовых смесей и др.

Лит.: Бык С. Ш., Макогон Ю. Ф., Фомина В. И. Газовые гидраты. М., 1980; Макогон Ю. Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. М., 1985.