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Clathrate Ices—Recent Results*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

D. W. Davidson
Affiliation:
Division of Chemistry, National Research Council, Ottawa, Ontario K1A 0R9, Canada
J. A. Ripmeester
Affiliation:
Division of Chemistry, National Research Council, Ottawa, Ontario K1A 0R9, Canada
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The last five years have seen an increasing interest in clathrate ices as a result of the discovery of extensive deposits of natural gas hydrates in permafrost regions. Twenty-six new clathrate hydrates have been identified, mainly by NMR, including a tetragonal hydrate of dimethyl ether. N-butane and neopentane have been found to be enclathrated in natural gas hydrates, the former as a gauche conformer. As a result of their high symmetries, encaged neopentane, CF4, SF6, and SeF6 exhibit a Resing apparent-phase-change effect in the temperature range of NMR line narrowing. There is increasing evidence that reorientational jumps of water molecules are more frequent than translational jumps in clathrate ices. This is certainly so for ethylene oxide-d4 and tetrahydrofuran-d8 hydrates for which two regions of proton line narrowing and two T 1ρ minima have been observed. The reorientational motions of most guest molecules in structure II hydrates only become isotropic on a time scale long enough to permit the cage configurations to be averaged to 4 3m symmetry by reorientation of the water molecules. The orientations of the water molecules remain disordered to the lowest temperatures.

Résumé

Résumé

L’intérêt croissant pour les glaces de clathrates au long des cinq dernières années, a été la conséquence de la découverte de gisements importants d’hydrates de gaz naturel dans des régions aux sols gelés de façon permanente. Vingt six nouveaux hydrates sous forme de clathrate ont été identifiés, principalement par RMN, notamment un hydrate tétragonal de diméthyl éther. Il a été trouvé du. N-butane et du néopentane contenus dans des clathrates d’hydrates de gaz naturel, le premier dans sa conformation gauche. Du fait de leurs grandes symétries, le néopentane, CF4, SF6 et SeF6 encagés montre un effet de changement de phase apparent de Resing dans le domaine de température où il y a affinement de leurs raies RMN. Ceci est une preuve de plus que les mouvements de réorientation des molécules d’eau sont plus fréquentes que les mouvements de translation dans les glaces de clathrates. Il en est certainement ainsi pour les hydrates de d4-oxyde d’éthylène et de d8-tétrahydrofurane pour lesquels on observe deux affinements de raies de protons et deux minima T 1ρ . Les mouvements de réorientation de la plupart des molécules encagées dans des hydrates de structure II ne deviennent isotropes qu’après une durée suffisamment longue pour permettre aux configurations des cages d’atteindre en moyenne la symétrie4 3m par réorientation des molécules d’eau. Les orientations des molécules d’eau restent désordonnées aux plus basses températures.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die letzten fünf Jahre sahen ein steigendes Interesse an Clathrateisen als Folge der Entdeckung ausgedehnter Lager von Erdgashydraten in Dauerfrostregionen. 26 neue Clathrathydrate wurden bestimmt, hauptsächlich durch magnetische Kernresonanz, einschliesslich eines tetragonalen Hydrats von Dimethyläther. N-Butan und. Neopentan wurden als Clathrateinschluss in Erdgashydraten gefunden, das erste in einer gauche-Form. Als Folge ihrer hohen Symmetrien zeigen eingeschlossenes. Neopentan, CF4, SF6 und SeF6 einen Resing-Scheinphasenübergangseffekt im Temperatur-bereich der NMR-Linienverschmälerung. Es zeigt sich in zunehmendem Masse, dass in Clathrateis Umorientierungssprünge von Wassermolekülen häufiger sind als Translaiionssprünge. Dies ist bestimmt der Fall bei Äthylenoxid-d4- und Tetrahydrofuran-d8-Hydraten, für die zwei Bereiche der Protonenlinien-verschmälerung und zwei T 1ρ -Minima beobachtet wurden. Die Umorientierungsbewegung der meisten Gastmoleküle in Hydraten der Struktur II wird erst isotrop in einem Zeitraum, der lang genug ist, um die Käfigkonfiguration durch Umorientierung der Wassermoleküle zur4 3m-Symmetrie auszumitteln. Die Ausrichtungen der Wassermoleküle bleiben bis zu den tiefsten Temperaturen ungeordnet.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Table I. New Clathrate Hydrates (Ripmeester and Davidson, 1977)

Figure 1

Fig. 1. Polyhedral cages of water molecules in clathrate ices of structures I and II. Circles represent oxygen atoms and lines the hydrogen bonds between them.

Figure 2

Fig. 2. Dimethyl ether encaged in the 14- and 15-hedron of the tetragonal structure. The ether molecule is represented by the van der Waals outlines of the oxygen atom and rotating methyl groups.

Figure 3

Table II. Reorientation of Water Molecules in Clathrate Hydrates

Figure 4

Fig. 3. Cole–Cole pole of the complex permittivity of p-dioxane hydrate in the water-molecule relaxation region.

Figure 5

Fig. 4. Proton second moments (mean-square widths of the proton NMR lines) of a number of structure I hydrates.

Figure 6

Fig. 5. Proton spin–lattice relaxation times in the rotating frame of ethylene oxide-d4 hydrate. H1 is the amplitude of the radio-frequency magnetic field.

Figure 7

Table 3. Reorientational and Translational Correlation Times of Water Molecules from T1ρ Measurements

Figure 8

Fig. 6. Temperature dependence of the proton second moment of neopentane-D2S double deuterohydrate.

Figure 9

Fig. 7. Proton NMR line shapes of neopentane-D2S deuterohydrate at a number of temperatures.

Figure 10

Table 4. Reorientational Correlation time Parameters derived from the Resing Effect in Hydrates of Symmetrical Molecules

Figure 11

Fig. 8. Proton (19F for SF6) second moments of a number of structure II deuterohydrates above 100 K.

Figure 12

Fig. 9. Effective deuterium quadrupole splitting frequencies (as the r.m.s. deuterium resonance line width in frequency units) of ethylene oxide-d4 and tetrahydrofuran-d8 hydrates.

Figure 13

Fig. 10. Low-temperature dielectric absorption in p-dioxane hydrate.

Figure 14

Fig. 11. Dielectric absorption and dispersion in propane and isobutane hydrates.

Figure 15

Fig. 12. Dielectric absorption and dispersion in n-butane-H2S double hydrate.

Figure 16

Fig. 13. Proton NMR line shapes of propane and isobutane. hydrates.