Sur le plan thermodynamique, la formation des hydrates est régie par un équilibre entre les forces attractives qui stabilisent la cage d'eau et les conditions de température et pression qui permettent leur existence. Les diagrammes de phases permettent de prédire la stabilité des hydrates. Les recherches actuelles se concentrent sur leur utilisation comme moyen de stockage d'énergie, de capture de CO2, ou encore dans les applications environnementales. 

Les hydrates se présentent sous plusieurs formes, les plus courantes étant les hydrates de gaz, les hydrates ioniques et les hydrates moléculaires.

Hydrates de gaz.
Les hydrates de gaz sont des structures cristallines où des molécules de gaz, généralement de petite taille comme le méthane, l'éthane, le dioxyde de carbone ou l'azote, sont piégées dans un réseau tridimensionnel formé par des molécules d'eau. Ces réseaux, appelés clathrates, se forment grâce aux liaisons hydrogène entre les molécules d'eau qui construisent des cages capables d'emprisonner les molécules de gaz. Il ne s'agit pas de véritables liaisons chimiques entre le gaz et l'eau, mais d'un piégeage physique qui confère une grande stabilité à l'ensemble dans certaines conditions.

La formation des hydrates de gaz survient généralement dans des environnements caractérisés par des basses températures et des pressions relativement élevées, comme dans les sédiments sous-marins des marges continentales ou dans les sols gelés des régions arctiques. Ces conditions thermodynamiques favorisent l'organisation des molécules d'eau en cages. On distingue principalement trois types de structures cristallines, notées sI, sII et sH, qui diffèrent par la taille et la disposition des cages ainsi que par les gaz qu'elles peuvent piéger. Le méthane, principal constituant du gaz naturel, forme couramment des hydrates de type sI.

Sur le plan énergétique, les hydrates de méthane représentent une ressource considérable, car ils renferment de grandes quantités de gaz naturel dans un volume réduit. Un mètre cube d'hydrate de méthane peut libérer jusqu'à environ 160 m³ de méthane gazeux dans des conditions normales. Cette densité énergétique attire l'intérêt pour leur exploitation comme source d'énergie potentielle. Cependant, l'extraction est complexe et comporte des risques liés à la stabilité des sédiments et aux émissions de méthane, un puissant gaz à effet de serre.

Dans l'industrie pétrolière et gazière, la formation d'hydrates dans les pipelines représente un problème majeur. En se formant à l'intérieur des conduites, ils peuvent causer des blocages graves. Pour éviter ce phénomène, on utilise des inhibiteurs thermodynamiques qui modifient les conditions de stabilité des hydrates, ou des inhibiteurs cinétiques qui ralentissent leur nucléation et leur croissance.

Au-delà des applications énergétiques, les hydrates de gaz suscitent un intérêt scientifique et environnemental important. Ils sont étudiés comme moyen de séquestration du dioxyde de carbone, car ce gaz peut former des hydrates stables, potentiellement utiles pour réduire sa concentration atmosphérique. De plus, les hydrates jouent un rôle clé dans la géodynamique des fonds marins, leur déstabilisation pouvant provoquer des glissements sous-marins ou libérer des volumes importants de méthane dans l'océan et l'atmosphère.

Hydrates ioniques.
Les hydrates ioniques sont des composés cristallins constitués d'ions associés à un certain nombre de molécules d'eau intégrées directement dans leur structure. Contrairement aux hydrates de gaz, l'eau est ici liée aux ions par des interactions électrostatiques et des liaisons hydrogène fortes, ce qui en fait un élément structurant du cristal. Ces molécules d'eau dites « d'hydratation » sont coordonnées autour des cations ou parfois des anions, stabilisant ainsi le réseau cristallin.

La formule chimique des hydrates ioniques indique explicitement le nombre de molécules d'eau présentes, comme dans le cas du sulfate de cuivre pentahydraté CuSO4·5H2O ou du chlorure de cobalt hexahydraté CoCl2·6H2O. Ces molécules d'eau peuvent occuper différentes positions : certaines sont fortement liées aux ions métalliques dans des sphères de coordination, tandis que d'autres sont plus faiblement associées au réseau par des interactions secondaires. La nature et le nombre de molécules d'eau influencent directement les propriétés physiques du composé, notamment sa couleur, sa solubilité, sa densité et sa stabilité thermique.

Lorsqu'ils sont chauffés, les hydrates ioniques perdent progressivement leurs molécules d'eau selon un processus de déshydratation. Ce phénomène est ordinairement accompagné de changements visuels, comme la variation de couleur observée avec le sulfate de cuivre, qui passe du bleu hydraté au blanc anhydre. La déshydratation se produit par étapes successives correspondant à des températures spécifiques, chaque étape correspondant à la libération d'un certain nombre de molécules d'eau.

Ces composés jouent un rôle important dans de nombreux domaines. En chimie analytique, ils servent de réactifs stables dont la teneur en eau est bien définie. En chimie industrielle, leurs propriétés hydrophiles sont exploitées dans des processus de séchage ou de formulation. De plus, les hydrates ioniques sont étudiés pour comprendre les interactions entre l'eau et les ions en solution, car leur structure cristalline offre un modèle simplifié des solvates aqueux.

Sur le plan thermodynamique, la stabilité des hydrates ioniques dépend de la pression de vapeur d'eau ambiante et de la température. Certains composés, dits efflorescents, perdent facilement leur eau en atmosphère sèche, tandis que d'autres, dits hygroscopiques, absorbent l'humidité de l'air pour former des hydrates. Cette capacité d'absorption est exploitée dans les dessiccants et les agents de séchage.

Hydrates moléculaires.
Les hydrates moléculaires sont des composés cristallins où des molécules neutres, et non des ions, s'associent avec un certain nombre défini de molécules d'eau intégrées dans leur réseau cristallin. Ces molécules d'eau ne sont pas chimiquement liées à la substance principale par des liaisons covalentes, mais elles participent à la cohésion de l'ensemble par un réseau de liaisons hydrogène et d'interactions dipolaires. Elles remplissent des cavités spécifiques dans la structure et contribuent à la stabilité de l'édifice cristallin.

Contrairement aux hydrates ioniques, où l'eau s'associe principalement avec des cations ou anions, dans les hydrates moléculaires ce sont généralement des molécules polaires comme l'urée, les sucres, ou certaines composés organiques qui forment des réseaux cristallins hydratés. La quantité d'eau est bien définie et exprimée par la formule chimique du composé, comme par exemple pour l'hydrate de chloral C2HCl3O·H2O ou l'hydrate de phénol C6H5OH·H2O.

La présence de molécules d'eau influence fortement les propriétés physiques du cristal, notamment sa stabilité, sa densité, sa solubilité et son point de fusion. Lorsqu'un hydrate moléculaire est chauffé ou placé sous atmosphère sèche, il peut perdre tout ou partie de son eau, entraînant une modification de sa structure cristalline et de ses propriétés. Cette déshydratation est généralement réversible si le cristal est exposé de nouveau à un environnement humide, permettant une réhydratation.

Ces hydrates sont fréquents dans les substances organiques naturelles et synthétiques. Par exemple, de nombreux produits pharmaceutiques cristallisent sous forme d'hydrates moléculaires, ce qui influence leur biodisponibilité, leur conservation et leur stabilité thermique. Dans l'industrie, ce comportement est soigneusement étudié afin de garantir la constance des propriétés des médicaments ou des réactifs.

Sur le plan chimique, l'étude des hydrates moléculaires apporte des informations essentielles sur l'organisation des réseaux de liaisons hydrogène et sur l'importance des interactions faibles dans la structuration de la matière. Les chercheurs exploitent ces connaissances pour concevoir des matériaux cristallins aux propriétés contrôlées, notamment dans les domaines de la chimie supramoléculaire et de la cristallographie.

Enfin, ces composés présentent également un intérêt dans la compréhension des processus biologiques, car ils offrent un modèle simplifié pour étudier le rôle structurant de l'eau dans les biomolécules. Leur étude relie ainsi la chimie des matériaux, la biologie et l'ingénierie.