水合物是由主體水分子借氫鍵結(jié)合形成籠形結(jié)晶，客體分子被包圍在其晶格之中形成的穩(wěn)定籠形晶體包絡(luò)物。目前已發(fā)現(xiàn)的氣體水合物的晶胞構(gòu)型，按結(jié)構(gòu)可分為Ⅰ型（SI）、Ⅱ（SII）型、H型（SH）三種。水合物需要在高壓低溫的環(huán)境下生成，其生成過(guò)程也經(jīng)歷了復(fù)雜的多元變化，主要包括成核和生長(zhǎng)兩個(gè)階段。
水合物生成微觀原理為：首先，主體分子之間依靠氫鍵形成空的分子籠；之后，客體分子被輸送到合適位置，并在合適的溫度和壓力條件下進(jìn)入主體分子籠中，形成亞穩(wěn)態(tài)分子簇；最后，該不穩(wěn)定團(tuán)簇不斷發(fā)展達(dá)到臨界尺寸，從而實(shí)現(xiàn)水合物的成核。當(dāng)晶核滿(mǎn)足臨界狀態(tài)條件后，水合物便會(huì)在其誘導(dǎo)下迅速生長(zhǎng)。
水合物在成核過(guò)程需要提供較高驅(qū)動(dòng)力，是水合物生成的重要步驟。成核過(guò)程是一個(gè)從初始狀態(tài)的無(wú)序、無(wú)定型到最后形成相對(duì)穩(wěn)定的晶體狀態(tài)的過(guò)程。近年來(lái)部分學(xué)者分別進(jìn)行了甲烷水合物 、乙烷水合物、二氧化碳水合物等生長(zhǎng)機(jī)理的模擬研究。Tung等進(jìn)行了I型甲水合物生成的分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)伴隨系統(tǒng)壓力增高，甲烷溶解度增大，其生長(zhǎng)速率也隨之增加。Vatamanu等研究了甲烷水合物的異質(zhì)晶體生長(zhǎng)。發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)的晶體中含有許多缺陷，通常水合物中約20%的水合物籠未被占用，并且這不依賴(lài)于所施加的溫度和壓力。
物質(zhì)結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)
低分子的氣體的水合物為立方晶系，較大的氣體分子則是類(lèi)似于金剛石的晶體結(jié)構(gòu)。
化合物從其組成離子的水溶液中結(jié)晶出來(lái)時(shí), 所得到的晶體往往是 水合物(hydrate)。所以水合物并不是簡(jiǎn)單的與水混合，水合物也是純凈物。
分類(lèi)
水合物化學(xué)式具有確定數(shù)目的水分子, 其結(jié)構(gòu)大體可分為4類(lèi):
(1)全部H2O分子配位于金屬陽(yáng)離子。例如, 六水合物Co(ClO4)2·6H2O中的6個(gè)H2O分子全部配位于Co2+離子, 可將其寫(xiě)成[Co(H2O)6](ClO4)2。
(2)部分H2O分子配位于金屬陽(yáng)離子，部分H2O分子鍵合于酸根陰離子。例如CuSO4·5H2O中的H2O分子。
(3)H2O分子進(jìn)入固體晶格的確定位置，不與特定的陽(yáng)離子或陰離子鍵合。這種化合物中的水分子叫晶格水，例如氯化鋇2H2O中的水分子。
(4)一部分H2O分子與陽(yáng)離子配位，另一部分則是晶格水。白礬KAl(SO4)2·12H2O似乎具有這種結(jié)構(gòu)。
最后還應(yīng)該提到水合包合物。它們應(yīng)該歸入水合物, 但卻不是從其組成離子的水溶液中結(jié)晶出來(lái)的化合物。它們是H2O分子彼此間通過(guò)氫鍵形成籠, 將外來(lái)的電中性分子或離子包于籠內(nèi)而得到的一類(lèi)水合物。例如Cl2(H2O)7.25 和“可燃冰”。
化合物結(jié)合
結(jié)合方式
水合物中的水是以確定的量存在的，例如硫酸銅CuSO4的水合物的組成為CuSO4·5H2O。水合物中的水有幾種不同的結(jié)合方式：一種是作為配體，配位在金屬離子上，稱(chēng)為 配位結(jié)晶水；另一種則結(jié)合在陰離子上，稱(chēng)為陰離子結(jié)晶水。例如,CuSO4·5H2O加熱到113℃時(shí)，只失去四分子水。只有加熱到258℃以上，才能脫去最后一分子水。由此可見(jiàn)，4個(gè)水分子是作為配體配位在銅離子上的，即【Cu(H2O)4】2+；另一個(gè)水分子則結(jié)合在硫酸根上。一般認(rèn)為，一個(gè)水分子通過(guò)氫鍵與SO4中的氧原子相連接的（見(jiàn)下式）。
CuSO4· 5H2O按水分子的結(jié)合方式，其結(jié)構(gòu)式可以寫(xiě)成【Cu(H2O)4】 【SO4(H2O)】。許多其他水合硫酸鹽晶體如 FeSO4·7H2O、NiSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O等，均有相同的結(jié)合方式。
結(jié)合方式性質(zhì)變化
在過(guò)渡金屬的水合物中，相同組成的水合物往往由于其中的水分子的結(jié)合方式不同而使其性質(zhì)發(fā)生變化。例如碘化鈉三氯化鉻呈紅紫色；其水合物為暗綠色晶體,實(shí)驗(yàn)式為CrCl3·6H2O。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，6個(gè)水分子中只有4個(gè)水分子和 2個(gè)氯離子作為配體與鉻離子結(jié)合在內(nèi)界【Cr(H2O)4Cl2】+, 不論在晶態(tài)或在水溶液中均穩(wěn)定存在，因此，這種水合物的結(jié)構(gòu)式可寫(xiě)成【Cr(H2O)4Cl2】Cl·2H2O。如將暗綠色晶體的溶液冷卻至0℃以下并通入氯化氫HCl氣體，則析出紫色晶體，其結(jié)構(gòu)式為【Cr(H2O)6】Cl3。將紫色晶體的溶液用乙醚處理并通以氯化氫氣體，就析出一種淡綠色晶體，其結(jié)構(gòu)式為【Cr(H2O)5Cl】Cl2·H2O。三者的轉(zhuǎn)化表示如下：
水也可以不直接與陽(yáng)離子或陰離子結(jié)合而依一定比例存在于晶體內(nèi)，在晶格中占據(jù)一定的部位。這種結(jié)合形式的水稱(chēng)為晶格水，一般含有12個(gè)水分子。有些晶形化合物也含水，但無(wú)一定比例。例如沸石和其他硅酸鹽礦物。一些難溶的氫氧化物實(shí)際上也是水合物。
生成條件
(1)液態(tài)水的存在
液態(tài)水的存在是生成水合物的必要條件。
(2)低溫
低溫是形成水合物的重要條件，天然氣的溫度必須等于或低于天然氣中水汽的露點(diǎn)。
(3)高壓
組成相同的氣體，水合物生成溫度隨壓力升高（降低）而升高（降低）。
(4)其它條件
壓力的波動(dòng)，氣流方向改變及微小水化晶的存在。
防治方法
水合物的形成，堵塞井筒或采氣管線，影響氣井的正常生產(chǎn)，常用的防治水合物的方法有：
脫水干燥氣體
天然氣中含有水分是生成水合物的內(nèi)在因素，因此，脫除天然氣的水分是杜絕水合物生成的根本途徑。
提高氣流溫度（加熱法）
提高溫度防止生成水合物的實(shí)質(zhì)是把氣流溫度提高到生成水合物的溫度以上，加熱方法有蒸汽加熱法和水套爐加熱法。
加防凍劑
向天然氣中加入各種能降低水合物生成溫度的天然氣水合物抑制劑，降低天然氣的露點(diǎn)，防止水合物的生成。
參考資料 >