Зачем химики изучали строение нового гидрата водорода?

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.

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.

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