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初识可燃冰系列--2. 晶体结构 精选

已有 4780 次阅读 2022-5-27 09:09 |个人分类:可燃冰科普|系统分类:科普集锦

                                                            作者:陈强     

        既然说起可燃冰是由水分子和甲烷乙烷等天然气分子组成的,那么就会牵扯到结构的问题。我们通常讲可燃冰是一种笼形化合物,那么这种“笼”长得是什么样子呢?简单来说,笼子的框架是由水分子通过氢键作用相互搭建起来的。而天然气分子进入笼子后,又是通过范德华力和周围的水分子相互拉扯,最终形成的一种较为稳定的结构。水分子的空间组合不同,笼子的结构也一样,现在已经确定的可燃冰笼子有五种,感兴趣的朋友可以看一下后面的附图,我在这里就不展开列表了,晦涩难记且用处不大但是要知道一点,笼子结构决定了大小,而大小又决定了能够容纳的天然气分子,所以也就决定了可燃冰的结构。所以五种笼子以不同的组合方式形成的可燃冰固定晶体单元有三种,我们将其成为:I型(立方晶体结构)、II型(菱形晶体结构)和H型(六方晶体结构)。值得指出的是,自然界中发现的可燃冰仅有I型和II型两种,H型是科学家在实验室内的特定条件下合成的。

     上面提及了天然气分子大小不一样,能够进入的笼子也不一样。对单组分气体来说,通常甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、硫化氢等分子形成I型结构。哦,这里我还要啰嗦一句,可燃冰是对能够燃烧的天然气水合物的一种昵称。二氧化碳、硫化氢等形成的也叫水合物,但是不能燃烧,所以不能叫可燃冰。 丙烷、丁烷等大分子则主要形成II型结构。在自然界,I型可燃冰最为常见,II型次之。

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        紧接着晶体结构,我们再来说一下水合指数,通俗来讲就是一个晶体结构中,天然气分子和水分子的摩尔比例数。但是就算是同一种可燃冰,它的水合指数也是不固定的,通常在小于理论值的一定范围波动。这是因为一块可燃冰里包含了数不清的笼形结构,而不可能所有的笼子都能抓住天然气分子。就好像我们盖了一栋特别大的楼房,入住率很难达到百分之百一样。所以,水合指数的大小可以反映可燃冰的含气量或者纯度,这对资源估算有特别重要的意义。

        鉴于篇幅的原因,这一期暂时告一段落,我们再见。



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