» » Лёд и водород

Лёд и водород

Зачем химики изучали строение нового гидрата водорода?

Лёд и водород
Схематическое изображение «клетки», образованной молекулами воды в гидрате водорода. Красным отмечены атомы кислорода молекул воды. Голубые и синие маленькие кружочки – положения, которые могут занимать атомы водорода. Иллюстрация: пресс-служба Сколтеха. Открыть в полном размере ‹ ›

Вода в твёрдом состоянии – это лёд. Вроде бы всё просто, пока мы не захотим погрузиться в то, как этот лёд устроен. При обычных условиях, например, где-нибудь на речке в зимнюю пору, мы найдём самый-самый обычный лёд, его ещё называют гексагональный лёд Ih. Конечно, он может быть разной прозрачности, цвета, с пузырьками воздуха и т.д., но по своей кристаллической структуре, по тому, как расположены в кристалле льда молекулы воды, он будет везде один и тот же: что в морозильнике, что в Арктике. Только если очень постараться, то можно найти где-нибудь в верхних слоях атмосферы другую модификацию льда – кубический лёд Ic. Однако, как можно догадаться по римской циферке I в обозначениях этих льдов (это именно цифра, а не заглавная первая буква английского слова ice - лёд), со льдами всё не так и просто.

Всего известно 18 разных кристаллических форм льда, которые, кроме двух упомянутых выше, существуют только в лабораториях физиков и химиков. Связано это с тем, что для существования таких форм льда нужны либо очень высокие давления, в тысячи раз больше атмосферного, либо низкие температуры, либо и то и другое вместе взятое. У таких льдов бывают интересные и необычные свойства, например, при очень высоких давлениях в кристалле льда становится невозможным выделить отдельные молекулы воды: расстояние между атомами соседних молекул становится таким же, как и внутри самих молекул. Структуры льдов, живущих под высоким давлением, наверное, так бы и остались уделом исключительно научного любопытства учёных, если бы не одни интересные соединения – газовые гидраты.

Если взять жидкую воду, добавить к ней, например, такой газ, как метан, и поместить её под высокое давление, то образуется твёрдое кристаллическое соединение – газовый гидрат. Так называют соединения, в которых молекулы газов как бы заключены в клетки, образованные молекулами воды. Здесь важно, что в клетках «сидят» именно молекулы, а не, пусть и маленькие, но пузырьки газа. Если каким-нибудь образом выпустить из таких клеток молекулы газа, то оставшаяся структура с пустыми клетками окажется неустойчивой и сразу же развалится, превратившись в одну из форм льда. Такие твёрдые и устойчивые при определённых условиях соединения воды и газа называются газовыми гидратами. Интерес к газовым гидратам метана состоит в том, что, как выяснилось, в такой необычной форме на морском дне на глубине нескольких сот метров содержится огромное количество природного газа. А ещё газовые гидраты метана существуют в зоне вечной мерзлоты – если они оттают, то огромный объём метана (а это, не будем забывать, один из парниковых газов) может попасть в атмосферу и очень сильно ускорить глобальное потепление…

Но газовые гидраты – это не только метан и вода. Другие газы точно так же могут образовывать с водой твёрдые гидраты. Один из таких газов – водород. Интерес к гидратам водорода состоит в том, что это один из возможных способов хранения и транспортировки водорода. В обычных условиях водород – очень взрывоопасный газ, поэтому на химическом производстве или в различных энергетических целях его, как правило, получают непосредственно на месте. Хотя, если мы говорим о развитии «зелёной» энергетики, то возможность транспортировать большие количества водорода была бы как раз кстати.

В работе, опубликованной недавно в журнале Physical Review Letters, исследователи из Института Карнеги в Вашингтоне (США) и Института физики твердого тела в Хэфэй (Китай) под руководством профессора этих двух институтов Александра Гончарова изучали свойства различных гидратов водорода и обнаружили интересное поведение у одного из таких гидратов, где на 3 молекулы воды приходится одна молекула водорода. Структуру этого гидрата, объясняющую его особенности, удалось установить с помощью исследователей из группы профессора Артёма Оганова из Сколтеха.

Оказалось, что молекулы воды, образующие «клетки» для молекул водорода, выстраиваются в структуру, очень похожую на структуру одной из форм льда – льда II. Похожую – потому что атомы кислорода в гидрате водорода располагаются также, как и во льде II. А вот атомы водорода в молекулах воды – ведут себя по-другому (на всякий случай уточним, что речь идёт о водороде, входящем в молекулы воды, а не молекуле водорода, находящейся в «клетке»). Если во льде II они строго упорядочены, то в гидрате водорода они оказались разупорядоченными. Это можно примерно представить, как если бы в структуре льда II некоторые из молекул воды взяли и повернули на определённый угол, но более-менее случайным образом вправо или влево. Интересно тут то, что у льда II нет такой известной структуры, в которой атомы водорода были бы разупорядоченными, в то время как в газовом гидрате водорода подобная организация молекул воды оказывается возможной.

Конечно, ещё рано говорить о том, чтобы использовать воду для перевозки водорода, но чем больше мы узнаём о необычных веществах, тем больше у нас будет шансов использовать какие-нибудь из них для пользы людей и планеты в целом.

По материалам Сколтеха

28 декабрь 2020 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Зептосекунды – новый мировой рекорд в измерениях времени

В 1999 году египетский химик Ахмед Зевейл получил Нобелевскую премию за измерение скорос

Из чего состоит все вокруг или что такое молекула?

Каждый раз, когда два атома соединяются вместе, они образуют молекулу. На самом деле все, что нас окружает – да и мы сами – состоит из триллионов различных типов молекул. Понятие молекулы было

Интересные факты про лед.

Лед тает при нуле градусов, он легче воды и поэтому не тонет. Это правильно, если речь идет об обычном льде. Но кроме льда «обычного», открыто еще семь его разновидностей. В природе их не встретишь;

Самый легкий газ

Самый легкий газ является еще и наиболее распространенным в нашей Вселенной элементом – и это водород. Значительная часть звезд и звездной материи имеют в своем составе по большей части именно этот

5 нераскрытых тайн простой воды

В старой доброй формуле H2O, казалось бы, не заключено никаких тайн. Но на самом деле вода – источник жизни и самая известная жидкость в мире – таит в себе множество загадок, неподвластных даже

Яд положил начало жизни на Земле

К такому выводу ученые из института Карнеги пришли после изучения углеродосодержащих метеоритов, которые также называют углистыми хондритами.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Совпадения с разницей в сто лет: Авраам Линкольн и Джон КеннедиШевалье-девицаПерсонажи классического искусства в современных реалияхКак появилось выражение «остаться с носом»?Немного «умной одежды»Психолог Джон Готтман о секрете удачных отношенийЗнали, что ракеты в России существовали уже 200 лет назад?О короле, шампанском и учёных