Навіщо хіміки вивчали будову нового гідрату водню?
Вода у твердому стані - це лід. Начебто все просто, поки ми не захочемо зануритися в те, як цей лід влаштований. При звичайних умовах, наприклад, де-небудь на річці в зимову пору, ми знайдемо самий-самий звичайний лід, його ще називають гексагональний лід Ih. Звичайно, він може бути різної прозорості, кольору, з бульбашками повітря і т. д., але по своїй кристалічній структурі, по тому, як розташовані в кристалі льоду молекули води, він буде скрізь один і той же: що в морозильнику, що в Арктиці. Тільки якщо дуже постаратися, то можна знайти десь у верхніх шарах атмосфери іншу модифікацію льоду - кубічний лід Ic. Однак, як можна здогадатися по римській циферці I в позначеннях цих льодів (це саме цифра, а не головна перша буква англійського слова ice - лід), з льодами все не так і просто.
Всього відомо 18 різних кристалічних форм льоду, які, крім двох згаданих вище, існують тільки в лабораторіях фізиків і хіміків. Пов'язано це з тим, що для існування таких форм льоду потрібні або дуже високі тиску, в тисячі разів більше атмосферного, або низькі температури, або і те і інше разом узяте. У таких льодів бувають цікаві і незвичайні властивості, наприклад, при дуже високих тисках в кристалі льоду стає неможливим виділити окремі молекули води: відстань між атомами сусідніх молекул стає такою ж, як і всередині самих молекул. Структури льодів, що живуть під високим тиском, напевно, так би і залишилися приділом виключно наукової цікавості вчених, якби не одні цікаві сполуки - газові гідрати.
Якщо взяти рідку воду, додати до неї, наприклад, такий газ, як метан, і помістити її під високий тиск, то утворюється тверде кристалічне з'єднання - газовий гідрат. Так називають сполуки, в яких молекули газів ніби укладені в клітини, утворені молекулами води. Тут важливо, що в клітинах «сидять» саме молекули, а не, нехай і маленькі, але бульбашки газу. Якщо якимось чином випустити з таких клітин молекули газу, то структура з порожніми клітинами виявиться нестійкою і відразу ж розвалиться, перетворившись на одну з форм льоду. Такі тверді і стійкі за певних умов з'єднання води і газу називаються газовими гідратами. Інтерес до газових гідрат метану полягає в тому, що, як з'ясувалося, в такій незвичайній формі на морському дні на глибині декількох сот метрів міститься величезна кількість природного газу. А ще газові гідрати метану існують в зоні вічної мерзлоти - якщо вони відтають, то величезний обсяг метану (а це, не будемо забувати, один з парникових газів) може потрапити в атмосферу і дуже сильно прискорити глобальне потепління...
Але газові гідрати - це не тільки метан і вода. Інші гази точно так само можуть утворювати з водою тверді гідрати. Один з таких газів - водень. Інтерес до гідрат водню полягає в тому, що це один з можливих способів зберігання і транспортування водню. У звичайних умовах водень - дуже вибухонебезпечний газ, тому на хімічному виробництві або в різних енергетичних цілях його, як правило, отримують безпосередньо на місці. Хоча, якщо ми говоримо про розвиток «зеленої» енергетики, то можливість транспортувати великі кількості водню була б якраз до речі.
У роботі, опублікованій нещодавно в журналі Physical Review Letters, дослідники з Інституту Карнегі у Вашингтоні (США) та Інституту фізики твердого тіла в Хефей (Китай) під керівництвом професора цих двох інститутів Олександра Гончарова вивчали властивості різних гідратів водню і виявили цікаву поведінку в одного з таких гідратів, де на 3 молекули води припадає одна молекула водню. Структуру цього гідрату, що пояснює його особливості, вдалося встановити за допомогою дослідників з групи професора Артема Оганова зі Сколтеха.
Виявилося, що молекули води, що утворюють «клітини» для молекул водню, шикуються в структуру, дуже схожу на структуру однієї з форм льоду - льоду II. Схожу - тому що атоми кисню в гідраті водню розташовуються також, як і в льоді II. А ось атоми водню в молекулах води - ведуть себе по-іншому (про всяк випадок уточнимо, що мова йде про водень, що входить в молекули води, а не молекулі водню, що знаходиться в «клітці»). Якщо в льоді II вони суворо впорядковані, то в гідраті водню вони виявилися розупорядкованими. Це можна приблизно уявити, як якби в структурі льоду II деякі з молекул води взяли і повернули на певний кут, але більш-менш випадковим чином вправо або вліво. Цікаво тут те, що у льоду II немає такої відомої структури, в якій атоми водню були б розупорядкованими, в той час як в газовому гідраті водню подібна організація молекул води виявляється можливою.
Звичайно, ще рано говорити про те, щоб використовувати воду для перевезення водню, але чим більше ми дізнаємося про незвичайні речовини, тим більше у нас буде шансів використовувати якісь з них для користі людей і планети в цілому.
За матеріалами Сколтеха