笼形水合物

美国俄勒冈州附近水合物脊沉积物中嵌入的甲烷笼形水合物块.

笼形水合物（英语：Clathrate hydrate）又称气体水合物（英语：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，具体而言为一截对角六方偏方面体 (5¹²6²)。这两种笼合在一起形成了一种韦尔—费伦结构。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。

宇宙中的水合物

Iro 等人试图解释彗星中的氮缺乏，指出尽管晶粒快速生长到米级规模，但围绕前主序星和主序星的原行星状星云中水合物形成的大部分条件都已满足。 关键是提供足够的微观冰粒子暴露在气体环境中。对金牛T星和赫比格Ae/Be星周围星周盘辐射连续光谱的观测表明，存在由毫米级颗粒组成的巨大尘埃盘，这些颗粒在数百万年后消失（例如， ）。 红外线太空天文台（ISO）完成了大量探测宇宙中水冰的工作。

参见

• 笼形复合物
• 水合物
  • 甲烷水合物
• 恒星形成和演化

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)