İng. Chemical Composition of Gas Hydrates
Gaz hidratlar ya da klatratlar, yüksek basınç ve suyun donma noktasına yakın sıcaklık koşullarında hidrojen bağlı su moleküllerinin kafes şeklinde tutulduğu, fiziksel olarak buza benzeyen kristal yani su bazlı katılardır. Gaz hidratların kafes yapısı içerisinde küçük, düşük molekül ağırlığına sahip, polar olmayan (apolar) bir molekül tutulur.
Gaz hidratların iskelet yapısındaki deliklerde O2, H2, N2, CO2, CH4, H2S, Ar, Kr, Xe, bazı hidrokarbonlar ve freonlar hapsolarak kafes yapısı 3 boyutlu stabil bir hâl alır. Bu moleküllerin yapıdan çıkması durumunda yapı bozulur.
Tablo 11
Hidrat kristal yapısı | I | II | H | ||||
Boşluk | Küçük | Büyük | Küçük | Büyük | Küçük | Orta | Büyük |
Açıklama | 512 | 51262 | 512 | 51264 | 512 | 435663 | 51268 |
Birim hücre başına boşluk sayısı | 2 | 6 | 16 | 8 | 3 | 2 | 1 |
Ortalama boşluk yarıçapı (Å) | 3,95 | 4,33 | 3,91 | 4,73 | 3,91** | 4,06** | 5,71** |
Koordine edici sayısı* | 20 | 24 | 20 | 28 | 20 | 20 | 36 |
Birim hücre başına su sayısı | 46 | 136 | 34 | ||||
* Her boşluğun çevresindeki oksijen sayısı
** Geomatik modellerden bulunan H yapı boşlukları
Şekil 1 ve Tablo 1’de, en sık rastlanılan 3 birim kristal hidrat yapısı sunulmaktadır. Klatrat hidratlar, tipik olarak metan veya karbondioksit gibi küçük (<0,9 nm) ‘misafir’ moleküller ortam sıcaklıklarında (tipik olarak 300 K’den az) ve orta basınçlarda (tipik olarak 0,6 MPa’dan fazla) suyla temas ettiğinde oluşur. Moleküler bir ölçekte, tek küçük konuk moleküller, bu stokiyometrik olmayan hidratlarda hidrojen bağlı su boşlukları tarafından kaplanır. Konuk molekül itmeleri, Şekil 1’de gösterilen üç iyi tanımlanmış birim kristali oluşturmak için bir araya gelen farklı boyutlardaki su kafeslerini açar.1
Kübik yapı I, Dünya’nın doğal ortamlarında baskındır ve küçük (0,4-0,55 nm) misafirler içerir; kübik yapı II genellikle daha büyük (0,6-0,7 nm) konuklarla çoğunlukla insan yapımı ortamlarda ortaya çıkar. Altıgen yapı H her iki ortamda da hem küçük hem de büyük (0,8-0,9 nm) moleküllerin karışımları ile oluşur. Çapları 0,4 nm’den küçük olan en küçük hidratlı moleküller (Ar, Kr, O2ve N2) yapı II’yi oluşturur.1
Şekil 1, üç ortak birim kristalin özelliklerini listeler. Su molekülleri hem yapı I hem de yapı II için 512 (pentagonal dodecahedra) olarak adlandırılan temel bir yapı bloğunda hidrojen bağları oluşturur. 512 şeklinde adlandırılmalarının sebebi bu boşlukta beşgen olarak bağlanmış su moleküllerinin 12 yüzü olmasıdır.1
Her yapıda da tipik olarak her kafeste sadece bir misafir molekül bulunur. Bununla birlikte çok yüksek basınç gibi olağan dışı koşullarda, hidrojen veya soy gazlar gibi olağan dışı küçük konuklarla birden çok kafeste doluluk olması mümkündür. Örneğin hidrojenin, II hidrat yapısının küçük kafesinde iki ve büyük kafeste dördü ile çok yüksek basınçta hidratlar oluşturabileceği görülmektedir.1
