Klatrat hidrat

Klatrat hidratlar (veya gaz klatratlar, gaz hidratlar), su içeren, kristal yapılı katılardır; birbirine hidrojen bağları kurarak "kafes" yapı oluşturmuş su molekülleri içine hapsolmuş küçük apolar moleküllerdir (tipik olarak gaz molekülleri). Bir diğer deyimle, klatrat hidratlar, kafes bileşiklerdir, konak molekül sudur, konuk molekül de tipik olarak bir gazdır. Hapsolmuş molekülün desteği olmaksızın klatrat hidratların kafes yapısı göçer ve buzun kristal yapısı veya sıvı su meydana gelir. Çoğu düşük moleküler ağırlıklı gazlar (O₂, H₂, N₂, CO₂, CH₄, H₂S, Ar, Kr ve Xe) ayrıca bazı hidrokarbonlar ve freonlar uygun basınç ve sıcaklıkta hidratlar oluştururular. Klatrat hidratlar kimyasal bileşik değildirler çünkü hapsolmuş moleküller kafese bağlı değildirler. Klatrat hidratların oluşumu ve bozunumu birinci dereceden bir faz geçişidir, bir kimyasal tepkime değildir. Moleküler düzeyde bunların oluşum ve bozunum mekanizması henüz iyi anlaşılmamıştır. Klatrat hidratlar ilk 1810'da Sir Humphry Davy tarafından belgelenmiştir.
Klatratların doğada büyük miktarlarda var olduğu bulunmuştur. Yaklaşık 6.4 trilyon (yani 6,4x10¹²) ton metan, okyanus tabanında metan klatrat yatakları içinde hapis durumdadır. Bu yataklar Norveç kıta sahanlığında, Storegga Kayması'nın kuzey yamacında bulunabilir. Klatratlar tiyal (permafrost) içinde de bulunabilirler, kuzeybatı Kanada'da Mackenzie Deltasındaki Mallik gaz hidrat sahasında olduğu gibi. Bu doğal gaz hidratları muazzam bir enerji kaynağı olarak görülmektedirler ama ekonomik bir çıkarma yöntemi henüz bulunmamamıştır. Hidrokarbon klatratları petrol endüstrisi için problem yaratırlar çünkü bunlar petrol borularında oluşup çoğu zaman tıkanmaya yol açarlar. Deniz dibinde karbon dioksit klatratı oluşturulması, atmosferdeki sera gazlarının giderilmesi ve iklim değişikliğinin önüne geçmek için bir yöntem olarak öne sürülmüştür.
Klatratların bazı dış planetlerde, aylarda ve Neptün ötesi cisimlerde çok miktarda  bulunduğu tahmin edilmektedir.

Yapı

Gaz hidratlar genelde iki kristalografik kübik yapı oluşturur; bunlar yapı (tip) I ve yapı (tip) II olarak adlandırılır ve sırasıyla  ve  uzay gruplarına karşılılık gelir. Nadir olarak  uzay grubuna ait üçüncü bir altgensel yapı da (Tip H) görülebilir.
Tip I'in birim hücresi 46 su molekülünden oluşur, bunlar biri küçük, biri büyük iki tip kafes meydana getirir. Birim hücrede Küçük kafesten iki tane, büyük olandan altı tane vardır. Küçük kafes beşgenli bir dodekahedron (5¹²), büyük olan ise bir tetradekahedron (on dört yüzlü), daha doğrusu, altıgen kesimli trapezohedron'dur (5¹²6²), bunlar beraberce bir Weaire-Phelan yapısı oluşturur. Tip I hidratları oluşturan tipik konuklar,  karbon dioksit klatrat içinde bulunan CO₂ ve metan klatrat içinde bulunan CH₄'tür.
Tip II birim hücresi 146 su molekülünden oluşur, bunlar da iki tip kafes meydana getirir - küçük ve büyük. Bu durumda 16 küçük kafesle birlikte sekiz büyük kafes vardır. Küçük kafesin yapısı gene beşgenli dodekahedrondur (5¹²) ama büyük olan bir heksadekahedrondür (16 yüzlü). Tip II hidratlar O₂ ve N₂ gibi gazlardan oluşur.
Tip H'nin birim hücresi 34 su molekülünden oluşur, bunlar üç tip kafes meydana getirir: iki farklı küçük tip ve bir büyük tip. Bu durumda birim hücrede üç adet 5¹² tipli küçük kafes, on iki adet 4³5⁶6³ tipli küçük kafes ve bir büyük 5¹²6⁸ kafes vardır. Tip H'nin kararlı bir şekilde meydan gelmesi iki konuk gazın (büyük ve küçük) işbirliğini gerektirir. Büyük boşluk büyük moleküllerin (örneğin butan, hidrokarbonlar) yerleşmesini sağlar, ama bunun için yardımcı küçük gazların diğer boşlukları doldurup onların yapısını desteklemesi gerekir.

Boru hatlarında gaz hidratları

Boru hatlarında hidrat oluşumu için uygun termodinamik şartlar sık sık oluşur. Bu arzu edilmeyen bir olaydır çünkü klatrat kristalleri kümelenip boruyu tıkayabilir. Petrolün zamanında teslim edilememesinden kaynakalanan ekonomik zararların yanı sıra, valv ve cihazlara da zarar gelir.