Лёд и водород
Лёд и водород
28 декабря 2020
Для чего химики изучали строение новейшего гидрата водорода?
Схематическое изображение «клеточки», образованной молекулами воды в гидрате водорода. Красноватым отмечены атомы кислорода молекул воды. Голубые и голубые мелкие кружочки – положения, которые могут занимать атомы водорода. Иллюстрация: пресс-служба Сколтеха.
Открыть в полном размере
‹
›
Вода в твёрдом состоянии – это лёд. Как бы всё просто, пока мы не захотим погрузиться в то, как этот лёд устроен. При обыденных критериях, к примеру, где-нибудь на речке зимой, мы найдём самый-самый обыденный лёд, его ещё именуют гексагональный лёд Ih. Естественно, он быть может разной прозрачности, цвета, с пузырьками воздуха и т.д., но по собственной кристаллической структуре, по тому, как размещены в кристалле льда молекулы воды, он будет всюду один и этот же: что в морозильнике, что в Арктике. Лишь если весьма попытаться, то можно отыскать где-нибудь в верхних слоях атмосферы другую модификацию льда – кубический лёд Ic. Но, как можно додуматься по римской циферке I в обозначениях этих льдов (это конкретно цифра, а не большая 1-ая буковка британского слова ice — лёд), со льдами всё не так и просто.
Всего понятно 18 различных кристаллических форм льда, которые, не считая 2-ух упомянутых выше, есть лишь в лабораториях физиков и химиков. Соединено это с тем, что для существования таковых форм льда необходимы или весьма высочайшие давления, в тыщи раз больше атмосферного, или низкие температуры, или и то и это совместно взятое. У таковых льдов бывают достойные внимания и необыкновенные характеристики, к примеру, при весьма больших давлениях в кристалле льда становится неосуществимым выделить отдельные молекулы воды: расстояние меж атомами примыкающих молекул становится таковым же, как и снутри самих молекул. Структуры льдов, живущих под высочайшим давлением, наверняка, так бы и остались уделом только научного любопытства учёных, если б не одни достойные внимания соединения – газовые гидраты.
Если взять водянистую воду, добавить к ней, к примеру, таковой газ, как метан, и поместить её под высочайшее давление, то появляется твёрдое кристаллическое соединение – газовый гидрат. Так именуют соединения, в каких молекулы газов вроде бы заключены в клеточки, образованные молекулами воды. Тут принципиально, что в клеточках «посиживают» конкретно молекулы, а не, пусть и мелкие, но пузырьки газа. Если каким-либо образом выпустить из таковых клеток молекулы газа, то оставшаяся структура с пустыми клеточками окажется неуравновешенной и сходу же развалится, превратившись в одну из форм льда. Такие твёрдые и устойчивые при определённых критериях соединения воды и газа именуются газовыми гидратами. Энтузиазм к газовым гидратам метана заключается в том, что, как выяснилось, в таковой необыкновенной форме на морском деньке на глубине нескольких сот метров содержится большущее количество природного газа. А ещё газовые гидраты метана есть в зоне нескончаемой мерзлоты – если они оттают, то большой объём метана (а это, не будем забывать, один из парниковых газов) может попасть в атмосферу и весьма очень убыстрить глобальное потепление…
Но газовые гидраты – это не только лишь метан и вода. Остальные газы буквально так же могут создавать с водой твёрдые гидраты. Один из таковых газов – водород. Энтузиазм к гидратам водорода заключается в том, что это один из вероятных методов хранения и транспортировки водорода. В обыденных критериях водород – весьма взрывоопасный газ, потому на хим производстве либо в разных энергетических целях его, обычно, получают конкретно на месте. Хотя, если мы говорим о развитии «зелёной» энергетики, то возможность транспортировать огромные количества водорода была бы очень кстати.
В работе, размещенной не так давно в журнальчике Physical Review Letters, исследователи из Института Карнеги в Вашингтоне (США) и Института физики твердого тела в Хэфэй (Китай) под управлением доктора этих 2-ух институтов Александра Гончарова изучали характеристики разных гидратов водорода и нашли увлекательное поведение у 1-го из таковых гидратов, где на 3 молекулы воды приходится одна молекула водорода. Структуру этого гидрата, объясняющую его индивидуальности, удалось установить при помощи исследователей из группы доктора Артёма Оганова из Сколтеха.
Оказалось, что молекулы воды, образующие «клеточки» для молекул водорода, выстраиваются в структуру, весьма похожую на структуру одной из форм льда – льда II. Похожую – поэтому что атомы кислорода в гидрате водорода размещаются также, как и во льде II. А вот атомы водорода в молекулах воды – ведут себя по-другому (на всякий вариант уточним, что речь идёт о водороде, входящем в молекулы воды, а не молекуле водорода, находящейся в «клеточке»). Если во льде II они строго упорядочены, то в гидрате водорода они оказались разупорядоченными. Это можно приблизительно представить, как если б в структуре льда II некие из молекул воды взяли и повернули на определённый угол, но более-менее случайным образом на право либо на лево. Любопытно здесь то, что у льда II нет таковой известной структуры, в какой атомы водорода могли быть разупорядоченными, в то время как в газовом гидрате водорода схожая организация молекул воды оказывается вероятной.
Естественно, ещё рано гласить о том, чтоб применять воду для перевозки водорода, но чем больше мы узнаём о необыкновенных субстанциях, тем больше у нас будет шансов применять какие-нибудь из их для полезности людей и планетки в целом.
По материалам Сколтеха
Источник: