Atomistic simulation of melting and superheatingof si methane hydrate
Gas hydrates are crystalline water-based inclusion compounds physically resembling ice. Guest molecules such as CH4, Ar, CO2 are trapped inside cavities of the hydrogen-bonded water network. Melting and decay of the superheated sI methane structure are studied using molecular dynamics simulation. The melting curve is calculated by the direct coexistence simulations in a wide range of pressures up to 5000 bar for the SPC/E, TIP4P/2005 and TIP4P/Ice water models and the united-atom model for methane. We locate the kinetic stability boundary of the superheated metastable sI structure that is found to be surprisingly high comparing with the predictions based on the classical nucleation theory.
Газовые гидраты – это кристаллические соединения, состоящие из молекул воды (образующих кристаллическую решётку) и газа, заключенных в полостях решётки без образования химической связи. Решётка стабилизируется за счёт взаимодействия Ван-дер-Ваальса между водой и молекулами газа. В работе исследованы плавление и перегрев КС-I структуры гидрата метана методом молекулярной динамики. Проведено сравнение различных потенциалов для описания воды. Исследованы метастабильные состояния перегретой КС-I структуры, рассчитана кинетическая граница устойчивости и кривая плавления.
1. Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate Hydrates of Natural Gases, Third Edition. CRC Press, 2008. 2. Дядин Ю.А., Гущин А.Л. Газовые гидраты // Соросов- ский образовательный журнал. 1998. Т. 3. С. 55–64. 3. Кузнецов Ф.А., Истомин В.А., Родионова Т.В. Газовые гидраты: исторический экскурс, современное состояние, перспективы исследований // Российский Химический Журнал. 2003. Т. XLVII, № 3. С. 5–18. 4. McMullan R.K., Jeffrey G.A. Polyhedral Clathrate Hydrates. IX. Structure of Ethylene Oxide Hydrate // The Journal of Chemical Physics. AIP, 1965. Vol. 42, № 8. P. 2725. 5. Mak T.C.W., McMullan R.K. Polyhedral Clathrate Hydrates. X. Structure of the Double Hydrate of Tetrahydrofuran and Hydrogen Sulfide // The Journal of Chemical Physics. AIP, 1965. Vol. 42, № 8. P. 2732. 6. Ripmeester J.A. et al. A new clathrate hydrate structure // Nature. 1987. Vol. 325, № 6100. Pp. 135–136. 7. Инербаев Т.М. и др. Динамические, термодинамические и механические свойства газовых гидратов структуры I и II // Российский Химический Журнал. 2003. Т. XLVII, № 3. С. 19–27. 8. Conde M.M., Vega C. Determining the three-phase coexistence line in methane hydrates using computer simulations. // The Journal of chemical physics. 2010. Vol. 133, № 6. P. 064507. 9. Abascal J.L.F. et al. A potential model for the study of ices and amorphous water: TIP4P/Ice. // The Journal of chemical physics. AIP, 2005. Vol. 122, № 23. P. 234511. 10. Jensen L. et al. Calculation of liquid water-hydrate-methane vapor phase equilibria from molecular simulations. // The journal of physical chemistry. B. 2010. Vol. 114, № 17. Pp. 5775–5782. 11. Abascal J.L.F., Vega C. A general purpose model for the condensed phases of water: TIP4P/2005. // The Journal of chemical physics. AIP, 2005. Vol. 123, № 23. P. 234505. 12. Berendsen H.J.C., Grigera J.R., Straatsma T.P. The missing term in effective pair potentials // The Journal of Physical Chemistry. 1987. Vol. 91, № 24. Pp. 6269–6271. 13. Guillot B., Guissani Y. A computer simulation study of the temperature dependence of the hydrophobic hydration // The Journal of Chemical Physics. AIP, 1993. Vol. 99, № 10. P. 8075. 14. Paschek D. Temperature dependence of the hydrophobic hydration and interaction of simple solutes: an examination of five popular water models. // The Journal of chemical physics. AIP, 2004. Vol. 120, № 14. Pp. 6674–6690. 15. Morris J. et al. Melting line of aluminum from simulations of coexisting phases // Physical Review B. American Physical Society, 1994. Vol. 49, № 5. Pp. 3109–3115. 16. Starikov S.V., Stegailov V.V. Atomistic simulation of the premelting of iron and aluminum: Implications for highpressure melting-curve measurements // Physical Review B. American Physical Society, 2009. Vol. 80, № 22. 17. Docherty H. et al. A potential model for methane in water describing correctly the solubility of the gas and the properties of the methane hydrate. // The Journal of chemical physics. 2006. Vol. 125, № 7. Pp. 074510. 18. Istomin V.A. et al. Self-preservation phenomenon of gas hydrates // Gas Industry of Russia. 2006. Vol. 4. P. 16–27. 19. Istomin V.A., Kvon V.G., Durov V.A. Metastable states of gas hydrates // Gas Industry of Russia. 2006. Vol. 4. P. 13–16. 20. Norman G.E., Stegailov V.V. Simulation of Ideal Crystal Superheating and Decay // Molecular Simulation. 2004. Vol. 30, № 6. Pp. 397–406.
