Związek klatratowy

Klatrat to substancja chemiczna składająca się z siatki , która zatrzymuje lub zawiera cząsteczki. Słowo klatrat pochodzi od łacińskiego clathratus ( clatratus ), oznaczającego „z kratami, kratą ”. Większość związków klatratów jest polimerowych i całkowicie otacza cząsteczkę gościa, ale we współczesnym zastosowaniu klatraty obejmują również kompleksy gospodarz-gość i związki inkluzyjne . Według IUPAC klatraty to związki inkluzyjne, „w których cząsteczka gościa znajduje się w klatce utworzonej przez cząsteczkę gospodarza lub sieć cząsteczek gospodarza”. Termin ten odnosi się do wielu gospodarzy molekularnych, w tym kaliksarenów i cyklodekstryn , a nawet niektórych polimerów nieorganicznych, takich jak zeolity .

Klatraty można podzielić na dwie kategorie: hydraty klatratów i klatraty nieorganiczne. Każdy klatrat składa się z ramy i gości, którzy w niej przebywają. Najbardziej powszechne struktury krystaliczne klatratu mogą składać się z wnęk, takich jak wnęki dwunastościenne , tetrakaidekaedryczne i heksakaidekaedryczne .

Większość hydratów klatratów zawiera 85% molowych wody. Hydraty klatratów pochodzą z organicznych z wiązaniami wodorowymi . Struktury te są przygotowywane z cząsteczek, które „samoasocjują się” poprzez liczne interakcje wiązań wodorowych. Małe cząsteczki lub gazy (np. metan, dwutlenek węgla, wodór) mogą być zamknięte jako goście w hydratach. Idealny stosunek gość/gospodarz dla hydratów klatratów wynosi od 0,8 do 0,9. Interakcja gościa z gospodarzem ogranicza się do van der Waalsa . Istnieją pewne wyjątki w półklatratach , w których goście włączają się do struktury żywiciela poprzez wiązania wodorowe ze strukturą żywiciela. Hydraty tworzą się często z częściowym wypełnieniem przez gości i zapadają się pod nieobecność gości zajmujących klatki z wodą. Podobnie jak lód, hydraty klatratów są stabilne w niskich temperaturach i wysokim ciśnieniu i mają podobne właściwości, jak rezystywność elektryczna. Hydraty klatratów występują naturalnie i można je znaleźć w wiecznej zmarzlinie i osadach oceanicznych. Hydraty można również syntetyzować poprzez krystalizację zarodków lub przy użyciu amorficznych prekursorów do zarodkowania.

W przeciwieństwie do hydratów, klatraty nieorganiczne mają kowalencyjnie związaną strukturę atomów nieorganicznych z gośćmi składającymi się zazwyczaj z metali alkalicznych lub metali ziem alkalicznych . Ze względu na silniejsze wiązanie kowalencyjne klatki są często mniejsze niż hydraty. Atomy gościa oddziałują z gospodarzem za pomocą wiązań jonowych lub kowalencyjnych. Dlatego częściowe podstawienie atomów gości jest zgodne z Zintla , tak aby ładunek całego związku był zachowany. Większość nieorganicznych klatratów ma pełne obłożenie swoich klatek szkieletowych przez atom gościa, aby być w fazie stabilnej. Nieorganiczne klatraty można zsyntetyzować w bezpośredniej reakcji przy użyciu mielenia kulowego w wysokich temperaturach lub pod wysokim ciśnieniem. Krystalizacja ze stopu na innej wspólnej drodze syntezy. Ze względu na dużą różnorodność składu gatunków gospodarzy i gości, klatraty nieorganiczne są znacznie bardziej zróżnicowane chemicznie i posiadają szeroki zakres właściwości. Przede wszystkim klatraty nieorganiczne mogą być zarówno izolatorem, jak i nadprzewodnikiem (Ba 8 Si 46 ). Wspólną właściwością nieorganicznych klatratów, która przyciąga badaczy, jest niska przewodność cieplna . Niskie przewodnictwo cieplne przypisuje się zdolności atomu gościa do „grzechotania” w ramach macierzystej. Swoboda ruchu atomów gości rozprasza fonony , które przenoszą ciepło.

Jaskinie klatratowe. Na przykład 5 12 (dwunastościan) i 5 12 6 2 (tetrakaidekaedryczny) tworzą strukturę typu I (sI).
Struktura krystaliczna Na 8 Si 46 . Przykład klatratu typu I składającego się z dwunastościennych (pomarańczowych) i tetrakaidekaedrycznych (żółtych) wnęk krzemowych zawierających atomy sodu.

Przykłady

Część sieci klatratu ksenonu-parachinolu.

Klatraty zostały zbadane dla wielu zastosowań, w tym: magazynowanie gazu, produkcja gazu, separacja gazu, odsalanie , termoelektryka , fotowoltaika i baterie.

  • Związki klatratowe o wzorze A 8 B 16 X 30 , gdzie A jest metalem ziem alkalicznych, B jest pierwiastkiem grupy III , a X jest pierwiastkiem grupy IV , zostały zbadane pod kątem urządzeń termoelektrycznych. Materiały termoelektryczne są zgodne ze strategią projektową zwaną szklanego kryształu elektronowego fononu . Niska przewodność cieplna i wysoka przewodność elektryczna są pożądane do uzyskania efektu Seebecka . Gdy szkielet gościa i gospodarza są odpowiednio dostrojone, klatraty mogą wykazywać niskie przewodnictwo cieplne (kilka W/mK), tj. szkła fononowego , podczas gdy przewodnictwo elektryczne przez szkielet gospodarza jest niezakłócone, co pozwala klatratom wykazywać kryształ elektronowy .
  • Klatraty metanu zawierają szkielet związany wiązaniami wodorowymi dostarczany przez wodę i gościnne cząsteczki metanu. Duże ilości metanu naturalnie zamarzniętego w tej postaci występują zarówno w formacjach wiecznej zmarzliny , jak i pod dnem oceanów. Inne sieci z wiązaniami wodorowymi pochodzą z hydrochinonu , mocznika i tiomocznika . Dobrze zbadaną cząsteczką gospodarza jest związek Dianina .
Cd(CN) 2 ·CCl 4 : szkielet klatratu cyjanku kadmu (na niebiesko) zawierający tetrachlorek węgla (atomy C na szaro i nieuporządkowane pozycje Cl na zielono) jako gość .
MOF-5 , przykład szkieletu metaloorganicznego : żółta kula przedstawia jamę gościa.

Historia

Hydraty klatratów zostały odkryte w 1810 roku przez Humphry'ego Davy'ego . Klatraty badał P. Pfeiffer w 1927 r., aw 1930 r. E. Hertel zdefiniował „związki molekularne” jako substancje rozkładające się na poszczególne składniki zgodnie z prawem działania mas w stanie roztworów lub gazów. Hammerschmidt odkrył, że hydraty klatratów tworzą blokady w gazociągach w 1934 r., Co doprowadziło do nasilenia badań mających na celu uniknięcie tworzenia się hydratów. W 1945 roku HM Powell przeanalizował strukturę krystaliczną tych związków i nazwał je klatratami . Produkcja gazu z hydratów metanu została już zrealizowana i przetestowana pod kątem produkcji energii w Japonii i Chinach.

Powiązane materiały

Związki inkluzyjne są często cząsteczkami, podczas gdy klatraty są zazwyczaj polimerami [ potrzebne źródło ] . Związki interkalacyjne nie są trójwymiarowe, w przeciwieństwie do związków klatratowych. Fotolitycznie wrażliwe związki w klatkach zostały zbadane jako pojemniki do uwalniania leku lub odczynnika .

Zeolity to inny rodzaj struktur krystalicznych, które tworzą szkielet z wnękami, w których mogą przebywać gatunki gości. W przeciwieństwie do klatratów, zeolity są definiowane przez czworościany łączące cztery atomy tlenu otaczające kation. [ potrzebne źródło ] Goście nie są również zobowiązani do wypełniania otwartych ubytków. Struktury zeolitowe są definiowane przez różnorodne jednostki budulcowe szkieletu, w przeciwieństwie do struktur wnękowych w klatratach. Podobne zastosowania zostały zbadane.

Clathrasil krzemionki to związki strukturalnie podobne do hydratów klatratów z ramą SiO 2 i można je znaleźć w szeregu osadów morskich.

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Clathrate_compound&oldid=1138476001 ”