Méthane

Définition

Le méthane CH₄ est l'hydrocarbure le plus simple et appartient au groupe des alcanes. Il est un gaz à température et à pression atmosphérique ambiante. Le méthane (également appelé gaz des marais) est le principal composant du gaz naturel. Le gaz naturel se trouve dans la nature en conjonction avec le pétrole et d'autres combustibles fossiles, et a une origine géologique similaire, résultant de restes de matière organique en décomposition.

Molécule de méthane CH₄ :

Le méthane a été découvert en 1778 par Alessandro Volta. Le méthane (hydrocarbure) n'est pas un gaz acide.

Explications

La production de méthane est originaire de divers processus naturels (croûte terrestre, fonds marins, zones humides et tourbières, animaux tels que les bovins...) ou de sources anthropiques (industrie fossile, bio-industrie, décharges...). Il est possible de mesurer la quantité de méthane émise annuellement, mais il est très difficile de déterminer exactement quelles en sont les sources.

Le méthane, extrait de la méthanisation de déchets biologiques pour la production d'électricité verte ou la cogénération, est un biométhane (biogaz d'origine biogène).

Ressources géologiques

Les deux principales filières géologiques de production de méthane sont :

• méthane organique (généré thermiquement ou thermogénique). Le méthane thermogénique existe en raison de la décomposition de la matière organique à des températures élevées et à des pressions élevées dans les couches sédimentaires profondes. La plupart du méthane dans les bassins de sédimentation est thermogénique; par conséquent, le méthane thermogénique est la principale source de gaz naturel.
• méthane inorganique (ou abiotique, non biologique) : est formé à partir de composés inorganiques, soit par processus magmatiques ou par des réactions eau-roche à basse température et basse pression, comme dans la formation de serpentinite.

⭐ Plusieurs équipes mondiales de chercheurs développent de nouvelles techniques pour extraire le méthane des hydrates de gaz naturel. Il y a eu un intérêt mondial pour le développement de techniques pour extraire le gaz méthane piégé dans des cages cristallines semblables à de la glace appelées "hydrates de gaz", qui sont présents dans les sédiments peu profonds le long des côtes continentales. Les hydrates sont des sources de méthane particulièrement prometteuses en Inde, car près de 1 900 milliards de mètres cubes de méthane sont inexploités dans ces cages situées dans les eaux de la zone économique exclusive indienne. C'est 1 500 fois plus que les réserves actuelles de gaz du pays.

Ressources biologiques

Le méthane est produit, entre autres, lorsque des substances organiques sont décomposées par des bactéries dans des conditions anaérobies (sans oxygène). Les conditions anaérobies existent souvent dans les sols marécageux. Le méthane se forme également dans les sols pauvres en oxygène, entre autres en raison de la dégradation des racines des plantes mortes. De même, dans les incendies de forêt, du méthane peut être formé en chauffant de la matière organique.

✅ Les ruminants émettent énormément de méthane au cours de la rumination des aliments. Les gaz du rumen, en particulier le méthane, font de plus en plus l'actualité en raison de leur contribution aux gaz à effet de serre et au changement climatique. Comme pour la plupart des sujets qui attirent l'attention des militants et des politiciens, il est quelque peu difficile d'obtenir des estimations précises de la contribution des processus digestifs des ruminants aux gaz à effet de serre mondiaux. Cependant, les données de l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture indiquent que les ruminants sont responsables d'environ 20 % des émissions mondiales de méthane, ce qui équivaut à environ 3 à 5 % de la production totale de gaz à effet de serre.

La plupart des fonds marins plus profonds sont anoxiques car l'oxygène est extrait par des micro-organismes aérobies dans les premiers centimètres du sédiment. Dans les fonds marins, les méthanogènes produisent du méthane (méthanogenèse) qui est utilisé par d'autres organismes ou piégé dans les hydrates de gaz. Ces autres organismes qui utilisent le méthane comme source d'énergie sont connus sous le nom de méthanotrophes (mangeurs de méthane) et sont la principale raison pour laquelle peu de méthane du fond marin atteint la surface de la mer.

Ressources industrielles

Le méthane est produit par hydrogénation du dioxyde de carbone dans une réaction de Sabatier. Le méthane est également un sous-produit de l'hydrogénation du monoxyde de carbone dans le procédé Fischer-Tropsch. Pour des applications pratiques, le gaz méthane est vendu dans des bouteilles en acier.

Le gaz méthane est libéré lors de la production, du traitement et du transport de sources d'énergie fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon). Et avec la fracturation hydraulique du gaz et du pétrole de schiste, les émissions seraient encore plus importantes. Selon des recherches de 2020, la part de l'industrie des combustibles fossiles dans les émissions de méthane aurait été largement sous-estimée dans le passé. À l'aide de caméras infrarouges, des chercheurs américains en environnement ont découvert des fuites de méthane dans la plupart des 150 installations pétrolières et gazières visitées dans sept pays européens. Le rapport, de 2021, conclut qu'il ne s'agit pas de fuites accidentelles, peut-être en raison du manque de contrôles et d'obligations de déclaration.

Nocivité et dangers du méthane

Le méthane n'est pas dangereux à petite dose pour l'humain et les animaux en qualité de gaz à courte durée de vie dans l'air. Toutefois, en forte concentration, il remplace en partie l'oxygène de l'air atmosphérique et peut provoquer une anoxie suivie d'une asphyxie.

Le méthane est nocif pour le climat car il contribue à l'augmentation de l'effet de serre. En tant que gaz à effet de serre, il est environ 25 fois plus puissant que le dioxyde de carbone. Depuis 1750, la quantité de méthane dans l'air a plus que doublé. La durée de vie du méthane dans l'atmosphère est d'environ dix ans.

Il est à craindre que la hausse des températures mondiales entraîne le dégel du pergélisol. Cela pourrait conduire à la libération de grandes quantités de méthane et à une nouvelle augmentation de l'effet de serre.

Hydrate de méthane

Les sédiments des fonds océaniques et des régions de pergélisol au fond de la couche de sol gelé contiennent de très grandes réserves de méthane : du méthane qui forme un clathrate ou un composé d'inclusion sous haute pression avec de l'eau (glace), de l'hydrate de méthane ou de la glace de méthane, dans laquelle le méthane est présent sous forme d'hydrate de gaz sous forme solide. Parfois, une partie de ce méthane s'échappe à la surface sous forme gazeuse. Les clathrates de méthane pourraient potentiellement être une source d'énergie importante en raison de l'importance des réserves, mais leur extraction du fond de l'océan est encore très difficile dans l'état de l'art actuel.

Chimie moléculaire

Une molécule de méthane est constituée d'un atome de carbone central avec donc quatre atomes d'hydrogène, disposés en un tétraèdre symétrique. Cette symétrie détermine en grande partie les propriétés du méthane. Par exemple, la symétrie signifie que le méthane est strictement apolaire, ce qui le rend gazeux et peu réactif dans des conditions standard.

Cette symétrie peut être prédite théoriquement avec la théorie MO (théorie des orbitales moléculaires), et a également été démontrée expérimentalement avec la diffraction des rayons X et la spectroscopie UV/VIS entre autres. Ces découvertes ont conduit à la formation du modèle d'hybridation. L'atome de carbone en méthane est sp³ hybridé. De ce fait, les liaisons carbone-hydrogène dans le méthane sont très fortes et, par exemple, rend la déprotonation particulièrement difficile (le pK_a du méthane est notamment supérieur à 50).

Comme tous les alcanes, le méthane est peu réactif. En réalité, il ne réagit qu'avec les oxydants forts tels que l'oxygène (combustion) ou les halogènes. Une autre réaction importante est le reformage à la vapeur.

Le méthane contient le rapport H/C le plus élevé de tous les hydrocarbures, c'est pourquoi le méthane est souvent utilisé pour produire de l'hydrogène. Le méthane (généralement du gaz naturel) et la vapeur sont passés sur un catalyseur métallique sous une pression et une température accrues : CH₄ +2 H₂O → CO₂ + 4 H₂. Cette réaction est principalement appliquée dans le procédé Haber-Bosch, où de grandes quantités d'hydrogène sont nécessaires pour la production d'ammoniac, et dans la gazéification de la biomasse pour produire du gaz de synthèse.

✅ Les chlorométhanes sont fabriqués par réaction radicalaire avec le chlore gazeux pour former du chlorométhane, du dichlorométhane, du chloroforme et du tétrachlorométhane.

Le méthane peut être formé à partir de substances organiques facilement dégradables, telles que l'acide acétique : CH₃COOH → CH₄ + CO₂.

L'acétate de sodium peut également former du méthane avec l'hydroxyde de sodium : CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃.

Le méthane peut également être formé à partir de dioxyde de carbone et d'hydrogène gazeux dans une réaction lente : CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O.

Grisou

Le grisou est le gaz contenu dans le charbon. Il est essentiellement composé de méthane (CH₄). Grisouteux se dit d'une mine, d'un chantier qui contient du grisou et présente donc un risque d'explosion. La teneur en grisou est mesurée via un grisoumètre.

Un grisoumètre est un instrument de mine permettant de mesurer la teneur en grisou dans l'air ambiant, estimée principalement selon la hauteur d'une flamme. Le grisoumètre ancien des mineurs était composé d'une lampe à huile ou à essence graduée, permettant de connaître précisément la teneur en grisou dans l'atmosphère par un simple échelle dès lors que sa proportion excédait environ 1 à 1.5 % du volume d'air. Plus la flamme était haute, plus la teneur était élevée.

En rapport avec "méthane"

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  L'acide méthanesulfonique (acide méthylsulfonique) est un alcane d'acide sulfonique dans lequel le groupe alkyle directement lié à la fonctionnalité sulfo...

• biométhane

  

  Le biométhane est une forme du méthane, de type biogène issu d'une méthanisation biologique et qui n'est pas d'origine fossile.

• chlorométhane

  

  Le chlorométhane (chlorure de méthyle, R-40 et HCC 40) est un composé organique largement utilisé comme réfrigérant (Fréon 40).

• dichlorométhane

  

  Le dichlorométhane (chlorure de méthylène) est un composé organique principalement utilisé comme solvant.