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{{Expand English|Clathrate hydrate|date=2017年1月}}
[[File:Gashydrat mit Struktur.jpg|thumb|right|美國俄勒岡州附近水合物脊沉積物中嵌入的甲烷笼形水合物塊.]]

'''笼形水合物'''（{{lang-en|Clathrate hydrate}}）又称'''气体水合物'''（{{lang-en|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{{Link-en|笼形化合物|clathrate compounds}}，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[[氧气|O<sub>2</sub>]]、[[氢气|H<sub>2</sub>]]、[[氮气|N<sub>2</sub>]]、[[二氧化碳|CO<sub>2</sub>]], [[甲烷|CH<sub>4</sub>]]、[[硫化氢|H<sub>2</sub>S]]、[[氩|Ar]]、[[氪|Kr]]、[[氙|Xe]]等。一些高级[[烃类]]以及[[氟利昂]]也能形成笼形水合物。

== 结构 ==
[[Image:HydrateStructures.jpg|thumb|200px|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）<ref>von Stackelberg, M. & Müller, H. M. (1954) ''Zeitschrift für Elektrochemie'' '''58''', 1, 16, 83</ref>，，它们的[[空间群]]分别为<math>Pm\overline{3}n</math>与<math>Fd\overline{3}m</math>。人们也观测到过一种空间群为<math>P6/mmm</math>的结构（H类），但较为少见。<ref>Sloan E. D., Jr. (1998) Clathrate hydrates of natural gases. Second edition, Marcel Dekker Inc.:New York.</ref>

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]]（5<sup>12</sup>）（并非正十二面体），大笼的形状则为[[十四面体]]，具体而言为一[[截對角六方偏方面體]] (5<sup>12</sup>6<sup>2</sup>)。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]]（5<sup>12</sup>），而大笼的形状为[[十六面体]]（5<sup>12</sup>6<sup>4</sup>）。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5<sup>12</sup>的小笼，两个形状为4<sup>3</sup>5<sup>6</sup>6<sup>3</sup>的小笼，一个形状为5<sup>12</sup>6<sup>8</sup>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<ref>{{cite journal |last1=Iro |first1=Nicolas |last2=Gautier |first2=Daniel |last3=Hersant |first3=Franck |last4=Bockelée-Morvan |first4=Dominique |author4-link=Dominique Bockelée-Morvan|last5=Lunine |first5=Jonathan I. |title=An interpretation of the nitrogen deficiency in comets |journal=Icarus |date=February 2003 |volume=161 |issue=2 |pages=511–532 |doi=10.1016/S0019-1035(02)00038-6 |bibcode=2003Icar..161..511I |citeseerx=10.1.1.487.722 }}</ref>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[[主序星|前主序星和主序星]]的[[原行星盤|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[[辐射度量学|輻射]]連續光譜的觀測表明，存在由毫米級顆粒組成的[[原行星盤|巨大塵埃盤]]，這些顆粒在數百萬年後消失（例如，<ref>{{cite journal |last1=Beckwith |first1=S. V. W. |last2=Henning |first2=T. |last3=Nakagawa |first3=Y. |year=2000 |title=Dust properties and assembly of large particles in protoplanetary disks |journal=Protostars and Planets |volume=IV |page=533 |arxiv=astro-ph/9902241 |bibcode=2000prpl.conf..533B }}</ref><ref>{{cite journal |last1=Natta |first1=A. |last2=Grinin |first2=V. |last3=Mannings |first3=V. |year=2000 |title=Properties and Evolution of Disks around Pre-Main-Sequence Stars of Intermediate Mass |journal=Protostars and Planets |volume=IV |page=559 |hdl=2014/17884 |bibcode=2000prpl.conf..559N }}</ref> ）。 [[紅外線太空天文台]]（ISO）完成了大量探測宇宙中水冰的工作。

== 参见 ==
* [[笼形复合物]]
* [[水合物]]
** [[甲烷水合物]]
* [[恒星#形成和演化|恒星形成和演化]]

== 参考文献 ==
{{Reflist|2}}

== 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 {{Wayback|url=http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0025322704002798 |date=20200530144730 }}

== 外部链接 ==
{{Commons category|Gas hydrates}}
* [https://web.archive.org/web/20080411201908/http://www.ifm-geomar.de/index.php?id=1201&L=1 Gas hydrates], from [https://web.archive.org/web/20081105232040/http://www.ifm-geomar.de/index.php?id=1&L=1 Leibniz Institute of Marine Sciences], Kiel (IFM-GEOMAR)
* [https://web.archive.org/web/20110611035202/http://www.ifm-geomar.de/index.php?id=3563&L=1 The SUGAR Project (Submarine Gas Hydrate Reservoirs)], from [https://web.archive.org/web/20081105232040/http://www.ifm-geomar.de/index.php?id=1&L=1 Leibniz Institute of Marine Sciences], Kiel (IFM-GEOMAR)
* [http://www.psl-systemtechnik.de/gas_hydrate_autoclave.html?&L=1 Gas hydrates in video] {{Wayback|url=http://www.psl-systemtechnik.de/gas_hydrate_autoclave.html?&L=1 |date=20160321224824 }} and [https://web.archive.org/web/20151121100842/http://www.psl-systemtechnik.de/gas_hydrate_autoclave_knowledge.html?&L=1 - Background knowledge about gas hydrates, their prevention and removal] (by manufacturer of hydrate autoclaves)

{{冰}}

[[Category:气体]]
[[Category:工业气体]]
[[Category:天然气]]