Klatrátový hydrát
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Gashydrat_mit_Struktur.jpg/220px-Gashydrat_mit_Struktur.jpg)
Klatrátové hydráty nebo hydráty plynů jsou krystalické pevné látky fyzicky připomínající led. Od ledu se liší tím, že jsou v nich zachyceny malé nepolární molekuly (typicky plyny) nebo polární molekuly s velkými hydrofobními funkčními skupinami, kolem nichž se vytvoří „klece“ z molekul vody vázaných vodíkovými můstky.[1][2] Klatrátové hydráty jsou tedy klatrátové sloučeniny, ve kterých hostitelskou molekulou je voda v tuhém skupenství a hostující molekulou je typicky plynná nebo kapalná látka. Bez podpory zachycených molekul by se struktura matrice klatrátových hydrátů zhroutila do konvenční struktury ledových krystalů nebo kapalné vody. Při vhodných teplotách a tlacích tvoří klatráty většina plynů s nízkou molekulovou hmotností, včetně O2, H2, N2, CO2, CH4, Ar, Kr a Xe, a některé vyšší uhlovodíky a freony. Klatrátové hydráty nejsou chemickými sloučeninami, protože "uvězněné" hostující molekuly nejsou chemicky vázány na hostitelskou matrici. Klatrátové hydráty se tvoří a rozkládají při fázovém přechodu prvního řádu, nikoli chemickou reakcí. Detailní mechanismy jejich tvorby a rozkladu na molekulární úrovni nejsou dosud dobře pochopeny.[3][4] Klatrátový hydrát poprvé zdokumentoval v roce 1811 sir Humphry Davy, který zjistil jednak, že led obsahující chlór taje při výrazně vyšší teplotě než čistý led, a jednak, že za vhodné teploty a tlaku tvoří voda trojrozměrnou matrici, ve které se zachytávají molekuly metanu - klatrátový hydrát metanu.[2]
Struktura
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/ab/HydrateStructures.jpg/220px-HydrateStructures.jpg)
Hydráty plynu obvykle tvoří dvě krystalografické kubické struktury: strukturu typu I (značenou sI) a strukturu typu II (značenou sII ).[5] Vyskytuje se i třetí, šestiúhelníková struktura typu H (sH).[2][6] Typ struktury je dán velikostí molekul zachyceného plynu.[2]
Elementární buňku typu I tvoří 46 molekul vody, uspořádaných do dvou typů klecí – malé a velké. Základní buňka obsahuje dvě malé klece a šest velkých. Na jednu molekulu plynu připadá 5,75 molekul vody (na 8 molekul zachyceného plynu připadá 46 molekuly vody v matrici, neboli 4:23). Malá klec má tvar dvanáctistěnu složeného z pětiúhelníků (512) (nejde o pravidelný dvanáctistěn) a velká čtrnáctistěnu složeného ze dvanácti pětiúhelníků a dvou šestiúhelníků (512 62). Typickými hostitelskými molekulami tvořícími hydráty typu I jsou CO2 v hydrátu oxidu uhličitého a CH4 v hydrátu metanu.[2][5]
Elementářní buňku typu II tvoří 136 molekul vody a dva typy klecí – malé a velké. V základní buňce je šestnáct malých klecí a osm velkých. Na jednu molekulu plynu připadá 52⁄3 molekuly vody (3:17). Malá klec má opět tvar pětibokého dvanáctistěnu (512), ale velká je šestnáctistěn (512 64). Hydráty typu II obsahují plyny jako O2 a N2.[2][5]
Základní buňka typu H se skládá ze 34 molekul vody, které tvoří tři typy klecí – dvě malé různého typu a jednu „obrovskou“. V tomto případě se základní buňka skládá ze tří malých klecí typu 512, dvou malých klecí typu 43 56 63 a jedné obrovské klece typu 512 68. Poměr molekul vody a plynu je 3:17. Tvorba klatrátů typu H vyžaduje spolupráci dvou hostujících plynů (jednoho s velkými molekulami a druhého s malými), aby matrice byla stabilní. V obrovské kleci mohou být zachyceny uhlovodíky s delším řetězcem (např. butan) pouze v případě, že pomocné plyny s menšími molekulami vyplňují ostatní dutiny.
Související články
- Klatrát
- Vznik a vývoj hvězd
- Hypotéza klatrátové zbraně
- Hydrát metanu
- Zachytávání a ukládání oxidu uhličitého
Externí odkazy
Obrázky, zvuky či videa k tématu klatrátový hydrát na Wikimedia Commons
Reference
V tomto článku byl použit překlad textu z článku Clathrate hydrate na anglické Wikipedii.
- ↑ HASSANPOURYOUZBAND, Aliakbar; JOONAKI, Edris; VASHEGHANI FARAHANI, Mehrdad; TAKEYA, Satoshi; RUPPEL, Carolyn; YANG, Jinhai; ENGLISH, Niall J. Gas hydrates in sustainable chemistry. S. 5225–5309. Chemical Society Reviews [online]. Royal Society of Chemistry, 2020-07-22 [cit. 2024-05-03]. Roč. 49, čís. 15, s. 5225–5309. DOI 10.1039/c8cs00989a. PMID 32567615. (anglicky)
- ↑ a b c d e f HRNČÍŘ, Matěj. Návrh nové experimentální trati pro výrobu hydrátů CO2 pro možné využití v energetice. Praha, 2023 [cit. 2024-05-04]. 99 s. Diplomová práce. ČVUT, Fakulta strojní. Vedoucí práce Ing. Ondřej Bartoš, Ph.D.. Dostupné online.
- ↑ GAO, Shuqiang; HOUSE, Waylon; CHAPMAN, Walter G. NMR/MRI Study of Clathrate Hydrate Mechanisms. S. 19090–19093. The Journal of Physical Chemistry B [online]. American Chemical Society, 2005-10-01 [cit. 2024-05-03]. Roč. 109, čís. 41, s. 19090–19093. Dostupné online. DOI 10.1021/jp052071w. PMID 16853461. (anglicky)
- ↑ GAO, Shuqiang; CHAPMAN, Walter G.; HOUSE, Waylon. NMR and Viscosity Investigation of Clathrate Hydrate Formation and Dissociation. S. 7373–7379. Industrial & Engineering Chemistry Research [online]. ACS Publications, 2005-09-01 [cit. 2024-05-03]. Roč. 44, čís. 19, s. 7373–7379. DOI 10.1021/ie050464b. (anglicky)
- ↑ a b c STACKELBERG, M. von; MÜLLER, H. R. Feste Gashydrate II. Struktur und Raumchemie. S. 25–39. Zeitschrift für Elektrochemie, Berichte der Bunsengesellschaft für physikalische Chemie [online]. John Wiley & Sons,, 1954-01 [cit. 2024-05-06]. Roč. 58, čís. 1, s. 25–39. DOI 10.1002/bbpc.19540580105. (německy)
- ↑ SLOAN, E. Dendy; KOH, Carolyn A. Clathrate hydrates of natural gases. Boca Raton, FL: CRC Press, 2007. ISBN 9780849390784. (anglicky)