Quá trình tạo thành hydrat, giống như bất cứ quá trình tinh thể hóa nào, theo các bước – từ sự hình thành mầm tinh thể tới sự phát triển của các tinh thể tới kích
thước tới hạn, sự tích tụ, và đứt gãy. Cho tới hiện tại, các hiện tượng trong sự hình thành của hydrat được nghiên cứu chủ yếu là quá trình hình thành mầm và phát triển. Sự tạo thành của hạt mầm tinh thể hydrat thường xảy ra ở bề mặt tương tác tự do của khí và nước. Sự phát triển của tinh thể hydrat trong sự có mặt của hạt nhân tinh thể có thể xảy ra ở bề mặt tương tác khí – nước (màng bề mặt hydrat), và trong thể tích của khí hay trong thể tích của nước. Sự phát triển bề mặt tương tác của hydrat được đặc trưng bởi một tốc độ tương đối cao trong đó độ lớn được xác định bởi các thông số động học và cường độ của nhiệt thoát ra trong quá trình tinh thể hóa.
Dòng phân tán của phân tử khí và nước thông qua lớp hydrat đang hình thành cũng là một yếu tố quyết định, phụ thuộc vào trạng thái pha của môi trường nơi sự phát triển của tinh thể hydrat xảy ra-tại bề mặt giao pha nước-khí, trong thể tích của khí, hoặc trong thể tích của nước. Tốc độ hình thành hydrat ở bề mặt tự do khí-nước, nơi các phân tử khí ở trạng thái dư là cao nhất.
Cơ chế của quá trình tạo thành hydrat khá đa dạng nhưng được nghiên cứu ít nhất trong các vấn đề phức tạp của hydrat. Quá trình hình thành hạt nhân tinh thể chỉ xảy ra ở tại sự bão hòa của khí với hơi nước, hoặc sự bão hòa của nước với khí. Hai trường hợp sau có thể xảy ra: nước ở trạng thái pha hơi đơn và nước ở trạng thái hai pha-lỏng-hơi và nước đá-hơi. Quá trình của sự phát triển hydrat trên mầm sinh ra có thể xảy ở cả sự bão hòa hơi nước và tại quá trình bão hòa không hoàn toàn khi áp suất riêng phần hơi nước trong pha hơi cao hơn áp suất đó trên hydrat.
Bề mặt giao pha khí – nước trong quá trình tiền tinh thể hóa là bề mặt cấu trúc của những nhóm sôi đơn. Phụ thuộc vào tính chất nhiệt động học của bề mặt giao pha khí – nước, những cụm phân tử nước ở một trạng thái không ổn định (Hình 2.6). Các phân tử bị hấp phụ của khí nằm ở giữa các cụm nước riêng rẽ. Tỷ lệ mol khí – nước lớn nhất tại bề mặt giao pha và lớ bề mặt được bão hào với các phân tử khí. Lần lượt, môi trường khí trong tương tác lập tức với nước bị quá bão hòa với các phân tử nước để lại một số lượng lớn chất lỏng do năng lượng động học không
đủ cao.
Do đó, tại bề mặt giao pha khí – nước một lớp chuyển đổi “sôi” được xác định nơi cả nước và khí tồn tại trong trạng thái quá bão hòa. Trong sự tạo thành của điều kiện nhiệt động thích hợp, lớp này, nơi hạt nhân tinh thể hình thành và nơi định hướng phân tử khí, nước sẽ được cố định trong trạng thái tinh thể của chúng.
Hình 2.6. Hình dạng các cụm phân tử nước [3]
Khi sự khác biệt giữa điện thế hóa học của nước và khí tăng lên cao hơn, quá trình tạo thành hydrat xảy ra thông qua sự hấp phụ đồng thời của phân tử khí và nước. (các lớp của ô tinh thể cơ bản tiếp tục phát triển).Quá trình tạo thành màng hydrat tại bề mặt khí-nước tiếp tục tới khi chúng hoàn toàn che phủ bề mặt nước.
Sự tạo thành của hạt nhân tinh thể xảy ra tại các bề mặt sau: - Nước với khí, nước với khí lỏng hay nước đá với khí
- Tại bề mặt của màng nước và các giọt cô đọng trong thể tích của khí - Tại bề mặt của bọt khí hình thành trong thể tích của nước
- Tại bề mặt của các giọt khí lỏng phân tán bão hòa với hơi nước và bay hơi trong thể tích của khí
- Tại bề mặt giao giữa nước và kim loại, nơi các phân tử khí hòa tan trong nước bị hấp phụ.