笼形水合物

笼形水合物（英語：Clathrate hydrate）又称气体水合物（英語：Gas hydrates），是一类水性固态晶体，其物理性质类似于冰，其中体积较小的气体疏水分子被水分子组成的笼形结构包围，通过氢键连接。换言之，笼形水合物属于笼形化合物，其中主体分子为水分子，客体分子一般为气体。若没有客体分子的支撑作用，这类化合物的晶体结构便会坍塌为冰或水的结构。绝大多数相对分子质量较低的气体都能形成笼形水合物，比如O₂、H₂、N₂、CO₂, CH₄、H₂S、Ar、Kr、Xe等。一些高级烃类以及氟利昂也能形成笼形水合物。

结构

不同气体水合物的结构

气体水合物通常有两种立方晶体结构，分别称为I类（sI）和II类（sII），，它们的空间群分别为$Pm{\overline {3}}n$与$Fd{\overline {3}}m$。人们也观测到过一种空间群为$P6/mmm$的结构（H类），但较为少见。

I类水合物的每个晶胞含有46个水分子，它们形成了大笼与小笼两种笼型结构，其中大笼有六个，小笼有两个。小笼的形状为五角十二面体（5¹²）（并非正十二面体），大笼的形状则为十四面体，具体而言为一截角六方偏方面体 (5¹²6²)。这两种笼合在一起形成了一种韋爾—費倫結構。典型的I类水合物有二氧化碳水合物与甲烷水合物等。

II类水合物的每个晶胞含有136个水分子，同样形成大笼与小笼两种结构，分别有八个与十六个。小笼的形状也为五角十二面体（5¹²），而大笼的形状为十六面体（5¹²6⁴）。II类水合物有氧气水合物与氮气水合物等。

H类水合物的每个晶胞含有34个水分子，形成三种笼结构：两种不同的小笼结构与一种“巨大”的笼结构。其中包括三个形状为5¹²的小笼，两个形状为4³5⁶6³的小笼，一个形状为5¹²6⁸的大笼。形成H类水合物的必要条件是有一大一小两种稳定客体分子。H类水合物中大空腔可容纳较大的客体分子（如丁烷等烃类），较小的客体分子则填入剩余的空隙中，起到辅助的作用。已经表明墨西哥湾存有H类水合物。

参见

• 水合物

拓展阅读

• Shuqiang Gao, Waylon House, and Walter Chapman, “NMR/MRI Study of Clathrate Hydrate Mechanisms”, J. Phys. Chem. B, 109(41), 19090–19093, 2005.
• N Sultan, P Cochonat, JP Foucher, J Mienert, Effect of gas hydrates melting on seafloor slope instability – ►ifremer.fr [PDF], – Marine Geology, 2004 – Elsevier http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0025322704002798 （页面存档备份，存于互联网档案馆）

外部链接

• Gas hydrates, from Leibniz Institute of Marine Sciences, Kiel (IFM-GEOMAR)
• The SUGAR Project (Submarine Gas Hydrate Reservoirs), from Leibniz Institute of Marine Sciences, Kiel (IFM-GEOMAR)
• Gas hydrates in video （页面存档备份，存于互联网档案馆） and - Background knowledge about gas hydrates, their prevention and removal (by manufacturer of hydrate autoclaves)