Что такое гидрат? Этот вопрос интересует многих, но лишь немногие знают точный ответ.
Определение гидратов и их основные свойства
В научном понимании гидраты - это продукты присоединения воды к неорганическим и органическим веществам. Раньше этот термин широко использовался для всех соединений, которые выделяют воду при нагревании. Например, NaOH называли гидратом окиси натрия. Однако в настоящее время гидратами принято называть только те соединения, в которых молекула воды присутствует как отдельная структурная единица.
По определению Джона Кэрролла, применяемому в нефтегазовой отрасли, «гидратами называют вещества, которые при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии - метан, этан, двуокись углерода, сероводород. Отсюда появился термин "газовые гидраты". Ошибочно считать, что только газы могут образовывать гидраты - среди жидкостей тоже есть вещества с таким свойством, например фреон-12».
Способность воды образовывать гидраты объясняется наличием водородных связей. Водородная связь выстраивает молекулы воды в правильные структуры, которые стабилизируются в присутствии других веществ и выделяются в виде твердого осадка.
В строении гидратов можно выделить две составляющие:
- Молекулы воды, называемые «хозяевами», которые образуют каркас
- Молекулы других веществ - «гости», стабилизирующие эту структуру
Любопытно, что между «хозяевами» и «гостями» нет химической связи. «Гости» могут свободно вращаться внутри решетки из молекул воды. Поэтому гидраты часто описывают как твердые растворы.
Как же образуются гидраты? В процессе, называемом гидратацией, при определенных условиях (температура, давление, концентрация веществ) происходит кристаллизация - вода встраивается в структуры некоторых соединений. Получающиеся кристаллогидраты бывают очень разных типов.
Свойства гидратов
Свойства гидратов во многом зависят от того, какие именно молекулы или ионы выступают в роли «гостей», а также от количества связанной воды. Так, гидраты неорганических солей, кислот и оснований чаще имеют кристаллическое строение и постоянный состав. А вот свойства органических гидратов могут сильно варьировать.
По агрегатному состоянию гидраты могут быть твердыми, жидкими и даже газообразными. Температура плавления и кипения у них тоже разная в зависимости от природы «гостя» и количества связанной воды. Гидраты обычно хорошо растворяются в воде, но плохо - в неполярных органических растворителях.
Стабильность гидратов
Большинство гидратов со временем теряют часть или всю связанную воду - подвергаются процессу дегидратации. Это может происходить при нагревании, изменении давления, влажности.
Особенно нестабильны гидраты газов, которые при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Например, метановые гидраты встречаются в природе только в условиях низких температур и высокого давления, характерных для морских глубин.
Гидраты в "химии"
Гидратообразование - важный процесс во многих областях "химии". Он позволяет извлекать, концентрировать и стабилизировать полезные вещества. Гидраты широко используются в фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
Природные гидраты
В природе также встречается немало гидратов - как минералов, так и органических соединений. Они играют важную роль в биологических и геологических процессах на нашей планете.
Крупные залежи газовых гидратов на дне морей и океанов рассматриваются как перспективный источник углеводородного топлива в будущем. Однако пока неясно, как безопасно и эффективно добывать эти ресурсы.
