Что такое клатрат?

Клатрат - это разновидность гидрата или соединения воды, в котором молекулы другого вещества захватываются клеточной структурой, состоящей из молекул воды. Захваченная молекула обычно представляет собой газ при нормальном давлении и температуре. Клатраты представляют собой ледяные твердые вещества, которые обычно образуются при высоких давлениях и низких температурах. Одним из наиболее известных и наиболее изученных является гидрат метана, который естественным образом встречается в крупных месторождениях под морским дном во многих частях мира. Они могут быть потенциальным источником энергии, но есть также опасение, что внезапное выделение большого количества клатратного метана, возможно, вызванное глобальным потеплением, может иметь катастрофические последствия.

Основной единицей большинства клатратов является додекаэдр, состоящий из 20 молекул воды, расположенных в виде 12 пятиугольных граней, с полым центром, который может занимать «молекула гостя». Структура по существу удерживается вместе водородными связями между молекулами воды, но стабилизируется молекулами гостя. Поскольку додекаэдры не могут быть упакованы вместе, чтобы заполнить все доступное пространство, также возникают другие многогранные формы, так что образуется решетка. Из-за этого изменения форм клетки и того факта, что не все клетки обязательно заняты, клатраты не могут получить точные химические формулы. Клатратные гостевые молекулы могут представлять собой углеводородные газы, такие как метан или этан, кислород, азот и диоксид углерода.

Гидрат метана является клатратным соединением, которое вызвало наибольший интерес. Это соединение встречается в больших количествах в различных местах по краям всех континентов и в районах вечной мерзлоты Сибири и Аляски. Подсчитано, что эти залежи составляют самый большой запас углеводородов на планете, намного превышающий известные запасы угля, нефти и природного газа. Считается, что они образовались из метана, образующегося в результате микробной активности в анаэробных условиях в донных отложениях чуть ниже поверхности морского дна или на суше, где температура достаточно низкая. Даже в тропических регионах температура морского дна достаточно низкая для образования клатрата, где давление позволяет им затвердеть на несколько градусов выше точки замерзания.

Учитывая огромное количество метана, хранящегося в этих месторождениях, они считаются потенциальным источником природного газа. Однако могут быть серьезные технические трудности, связанные с его добычей, которые делают его неэкономичным. В 1960-х и 1970-х годах Советский Союз предпринял ряд неудачных попыток добычи газа из клатратных месторождений вечной мерзлоты Сибири. Также существует опасение, что методы, используемые для выпуска захваченного газа, могут дестабилизировать отложения, что потенциально может привести к оседанию и оползням.

Хотя клатратные отложения могут представлять собой огромный неиспользованный энергетический ресурс, они также могут представлять серьезную опасность. Они нестабильны вне условий температуры и давления, в которых они происходят, и существует опасение, что глобальное потепление может сделать их нестабильными. Это создает двойную угрозу.

Во-первых, таяние клатратного льда, смешанного с осадками на краях континента, может привести к массивным оползням и последующим цунами. Из сравнительно недавнего геологического прошлого есть данные, что это могло произойти у побережья Норвегии. Во-вторых, метан является мощным парниковым газом, который удерживает тепло в атмосфере даже в большей степени, чем углекислый газ. Внезапное выделение огромного количества этого газа может ускорить глобальное потепление, что, в свою очередь, может вызвать дальнейшую дестабилизацию. Опять же, имеются геологические свидетельства того, что это могло происходить в прошлом в результате естественных процессов, и с 2011 года особую озабоченность вызывает гидрат метана в месторождениях вечной мерзлоты.