籠形水合物

美國俄勒岡州附近水合物脊沉積物中嵌入的甲烷籠形水合物塊.

籠形水合物（英語：Clathrate hydrate）又稱氣體水合物（英語：Gas hydrates），是一類水性固態晶體，其物理性質類似於冰，其中體積較小的氣體疏水分子被水分子組成的籠形結構包圍，通過氫鍵連接。換言之，籠形水合物屬於籠形化合物，其中主體分子為水分子，客體分子一般為氣體。若沒有客體分子的支撐作用，這類化合物的晶體結構便會坍塌為冰或水的結構。絕大多數相對分子質量較低的氣體都能形成籠形水合物，比如O₂、H₂、N₂、CO₂, CH₄、H₂S、Ar、Kr、Xe等。一些高級烴類以及氟利昂也能形成籠形水合物。

結構

不同氣體水合物的結構

氣體水合物通常有兩種立方晶體結構，分別稱為I類（sI）和II類（sII），，它們的空間群分別為$Pm{\overline {3}}n$與$Fd{\overline {3}}m$。人們也觀測到過一種空間群為$P6/mmm$的結構（H類），但較為少見。

I類水合物的每個晶胞含有46個水分子，它們形成了大籠與小籠兩種籠型結構，其中大籠有六個，小籠有兩個。小籠的形狀為五角十二面體（5¹²）（並非正十二面體），大籠的形狀則為十四面體，具體而言為一截對角六方偏方面體 (5¹²6²)。這兩種籠合在一起形成了一種韋爾—費倫結構。典型的I類水合物有二氧化碳水合物與甲烷水合物等。

II類水合物的每個晶胞含有136個水分子，同樣形成大籠與小籠兩種結構，分別有八個與十六個。小籠的形狀也為五角十二面體（5¹²），而大籠的形狀為十六面體（5¹²6⁴）。II類水合物有氧氣水合物與氮氣水合物等。

H類水合物的每個晶胞含有34個水分子，形成三種籠結構：兩種不同的小籠結構與一種「巨大」的籠結構。其中包括三個形狀為5¹²的小籠，兩個形狀為4³5⁶6³的小籠，一個形狀為5¹²6⁸的大籠。形成H類水合物的必要條件是有一大一小兩種穩定客體分子。H類水合物中大空腔可容納較大的客體分子（如丁烷等烴類），較小的客體分子則填入剩餘的空隙中，起到輔助的作用。已經表明墨西哥灣存有H類水合物。

宇宙中的水合物

Iro 等人試圖解釋彗星中的氮缺乏，指出儘管晶粒快速生長到米級規模，但圍繞前主序星和主序星的原行星狀星雲中水合物形成的大部分條件都已滿足。 關鍵是提供足夠的微觀冰粒子暴露在氣體環境中。對金牛T星和赫比格Ae/Be星周圍星周盤輻射連續光譜的觀測表明，存在由毫米級顆粒組成的巨大塵埃盤，這些顆粒在數百萬年後消失（例如， ）。 紅外線太空天文台（ISO）完成了大量探測宇宙中水冰的工作。

參見

• 籠形複合物
• 水合物
  • 甲烷水合物
• 恆星形成和演化

拓展閱讀

• 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

外部連結

• 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） and - Background knowledge about gas hydrates, their prevention and removal (by manufacturer of hydrate autoclaves)