Méthane

Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH 4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz qu'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants.



Catégories :

Produit chimique extrêmement inflammable - Alcane linéaire - Carburant - Produit chimique - Matériau - Gaz organique - Gaz à effet de serre - Réfrigérant

Définitions :

  • Hydrocarbure saturé, premier membre de la famille des paraffines, de formule chimique CH4. Aussi nommé protocarbure d'hydrogène ou hydrure de méthyle, c'est un gaz inodore plus léger que l'air, aisément liquéfiable.... (source : fr.wiktionary)
  • gaz hydrocarboné, de formule CH 4. C'est la principale composante du gaz naturel extrait des champs d'hydrocarbures.... (source : chaireco2.ete.inrs)
  • Gaz incolore et inflammable, le méthane se dégage des végétaux en décomposition ou de la part fermentescible des ordures ménagères. (source : csdu-lapouyade)
Méthane
Représentation de Cram et vue 3D
Représentation de Cram et vue 3D
Représentation de Cram et vue 3D
Général
Nom IUPAC méthane
Synonymes hydrure de méthyle
No CAS 74-82-8
No EINECS 200-812-7
PubChem 297
SMILES
InChI
Apparence gaz comprimé ou liquéfié, incolore et inodore. [1]
Propriétés chimiques
Formule brute CH4  [Isomères]
Masse molaire[2] 16, 0425 ± 0, 0011 g·mol-1
C 74, 87 %, H 25, 13 %,
Propriétés physiques
T° fusion -182, 47 °C [3]
T° ébullition -161, 52 °C [3]
Solubilité 22 mg·l-1 (eau, 25 °C) [4]
Masse volumique 422, 62 kg·m-3 (-161 °C, liquide)
0, 6709 kg·m-3 (15 °C, 1 bar, gaz) [3]
T° d'auto-inflammation 537 °C[1]
Point d'éclair Gaz Inflammable[1]
Limites d'explosivité dans l'air 4, 417 %vol[3]
Pression de vapeur saturante 2 atm (-152, 3 °C) ;

5 atm (-138, 3 °C) ;
10 atm (-124, 8 °C) ;
20 atm (-108, 5 °C) ;
40 atm (-86, 3 °C) ;
4, 66×105 mmHg (25 °C) [4]

Point critique 4 600 kPa [6], -82, 6 °C [7]
Thermochimie
ΔfH0gaz -74, 87 kJ·mol-1 [8]
Cp
PCI 803, 3 kJ·mol-1 [10]
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation 12, 61 ± 0, 01 eV (gaz) [11]
Précautions
Directive 67/548/EEC
Extrêmement inflammable
F+
Phrases R : 12,
Phrases S : 2, 9, 16, 33, [12]
Transport
23
   1971   

223
   1972   
SIMDUT[13]
A : Gaz compriméB1 : Gaz inflammable
A, B1,
SGH[14]
SGH02 : InflammableSGH04 : Gaz
Danger
H220,
Écotoxicologie
LogP 1, 09[1]
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz qu'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est essentiellement utilisé comme combustible mais aussi comme liquide réfrigérant. Il est aussi reconnu comme étant un des principaux gaz à effet de serre.

Histoire

Alessandro Volta découvre le méthane en 1776 en s'intéressant au «gaz des marais» (l'ancien nom du méthane). [15]

C'est à cause du grisou, responsable (encore aujourd'hui) de trop nombreuses catastrophes minières que furent mises au point, les lampes de sûreté dans les mines de charbon, et surtout la lampe de Davy.

Jusqu'aux années 1970, l'impact du méthane sur le climat était inconnu. En 1976, il a été démontré que le méthane était un gaz à effet de serre.

Ce n'est qu'avec la conquête de l'espace qu'on a découvert l'omniprésence de ce corps dans l'Univers.

Formation, stockages naturels

C'est le principal constituant du biogaz issu de la fermentation de matières organiques animales ou végétales en l'absence d'oxygène. Il est fabriqué par des bactéries méthanogènes qui vivent dans des milieux anaérobiques c'est-à-dire sans oxygène.

Le méthane est ainsi l'unique hydrocarbure classique qui peut être obtenu rapidement et aisément grâce à un processus biologique naturel. Nous utilisons essentiellement du gaz naturel et par conséquent du méthane fossile, mais l'utilisation du méthane renouvelable, aussi nommé biogaz, est en développement : Suède, Allemagne, Danemark, Viet-Nam, Cambodge, Chine, Inde...

Le méthane se dégage naturellement des zones humides peu oxygénées comme les marais et certains sols longuement inondées. Il se forme aussi dans l'estomac et le tube digestif de nombreux animaux (de certains invertébrés aux mammifères). Ce gaz est présent en faible quantité dans les flatulences humaines [16].

Des quantités importantes de méthane sont piégées sous forme d'hydrates de méthane (clathrates) au fond des océans (où leur exploitation est envisagée) et dans les pergélisols. Ces deux réservoirs pourraient jouer un rôle important dans les cycles climatiques, et ils semblent commencer à perdre une quantité croissante de méthane dans l'atmosphère.

Articles détaillés : Clathrate et pergélisol.

Propriétés physico-chimiques

Aux conditions normales de température et de pression, c'est un gaz incolore et inodore. Plus léger que l'air, le méthane en milieu non confiné s'échappe vers la haute atmosphère et n'a pas la tendance des gaz plus lourds que l'air (propane, butane) à former des nuages explosifs. Le méthane est un combustible qui compose jusqu'à 90% le gaz naturel. Sa température d'auto-inflammation dans l'air est de 540 °C [17]. La réaction de combustion du méthane s'écrit :

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O


Dans l'Univers

Selon l'ESA,

Utilisation

Les gisements fossiles de gaz naturel comportent entre 50 et 60 % de méthane, le gaz naturel brut est épuré avant d'être injecté sur le réseau de distribution. La proportion de méthane présent dans le gaz naturel que nous utilisons est supérieure à 90% dans la majorité des gaz.

Le méthane biologique, ou biogaz, qui est produit par la fermentation anaérobie de matière organique comporte 50 à 80 % de méthane, (60-65% le plus souvent)

Le biogaz produit dans les décharges pourrait être (bien davantage) récupéré et valorisé sous forme d'électricité, de chaleur ou comme carburant automobile. Pour le moment, seules quelques expériences isolées (dans des fermes, des déchèteries... ) ont vu le jour, particulièrement dans les régions les plus froides (nord de l'Allemagne, de la France, Scandinavie... ), mais la rentabilité économique de ces installations est loin d'être acquise. [réf.  nécessaire] (voir l'expérience en prison rwandaise)

Environnement : contribution à l'effet de serre

Un gaz à effet de serre

Méthane atmosphérique, ppb

Le méthane est un gaz à effet de serre qui influe sur le climat. Il absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre, et l'empêche ainsi de s'échapper vers l'espace. Ce phénomène contribue au réchauffement de la Terre.

De plus il contribue aussi indirectement à l'effet de serre en diminuant la capacité de l'atmosphère à oxyder d'autres gaz à effet de serre (comme les fréons). Son utilisation comme combustible émet du CO2 à hauteur de 380 Mt/an (les émissions industrielles avoisinent 6000 Mt/an) et de la vapeur d'eau, autre gaz à effet de serre important.

L'influence du méthane sur le climat est moindre que celle du dioxyde de carbone mais elle est quand même préoccupante. Une molécule de méthane absorbe en moyenne 25 fois plus de rayonnement qu'une molécule de dioxyde de carbone sur une période de 100 ans, son potentiel de réchauffement global (PRG) est par conséquent de 25 ; à échéance 20 ans, son PRG est même de 62. Le méthane est reconnu comme le 3e gaz responsable du dérèglement climatique, après le CO2 et les fréons) [20].

Méthane et ozone

Le méthane interagit avec l'ozone, différemment dans les hautes et les basses couches de l'atmosphère.
Selon les modélisations tridimensionnelles disponibles en chimie de la troposphère, diminuer les émissions anthropiques de CH4 pourrait être «un puissant levier pour diminuer à la fois le réchauffement climatique et la pollution de l'air par l'ozone de fond troposphérique» [21].

Variations récentes de teneur de l'air

Ce graphique montre l'augmentation des taux de méthane dans l'air de 1993 à 2007, avec ses variations saisonnières et la différence entre les hémisphères nord et sud ; Auteur : Ed Dlugokencky CMDL NOAA

Le taux de méthane actuel dans l'atmosphère terrestre est d'environ 1800 ppb, soit 0, 00018%. Il s'est maintenu [22], [23] entre 1780 et 1810 ppb de 2000 à 2010 avec une grande variation suivant la latitude [24]. Dans le passé, le taux de méthane dans l'atmosphère a varié fréquemment parallèlement à la température[réf.  nécessaire]. Ce taux a augmenté d'environ 150 % depuis 1750 et atteint actuellement un taux inégalé [25] dans l'histoire, essentiellement suite aux activités humaines. Une augmentation des teneurs a été constatée en 2008/2009 [26]. Les modélisations informatiques de la cinétique du CH4 dans l'air ont permis de remonter à la source des émissions pour les 20 dernières années de mesures atmosphériques. Selon ces travaux, la réduction des émissions et/ou une utilisation plus efficace du gaz naturel dans l'hémisphère Nord (amélioration de l'étanchéité des tuyaux de gaz, récupération du grisou ou du gaz de décharge pour produire de l'électricité.. ) ont permis une baisse des émissions dans les années 1990, mais une nette augmentation des émissions provenant de combustibles fossiles dans le nord de l'Asie a ensuite de nouveau été constatée (2006... ). Le recul des zones humides, par drainage entre autres, et , dans une moindre mesure, les feux de brousse, expliquent aussi les variations mesurées du CH4 atmosphérique sur 20 ans[27].

Le méthane serait responsable d'environ 20% du réchauffement moyen enregistré depuis le début de la révolution industrielle, mais il semble depuis peu être émis en plus grande quantité (même en hiver) dans les régions circumboréales, et pour des raisons non comprises, son oxydation atmosphérique pourrait être en train de diminuer.

On estime que sans sa présence, la température moyenne de surface de la Terre serait plus basse de 1, 3 °C[réf.  nécessaire].

Sources

Globalement, les émissions de CH4 vers l'atmosphère s'élèveraient à 500 Mt/an, dont les trois quarts proviennent de sources d'origine anthropique.

Les principales sources (par ordre d'importance quantitative estimée) sont[réf.  nécessaire] :

Analyse par satellite montrant les concentrations de méthane (parties par million en volume) en surface (en haut) et dans la stratosphère (en bas).

Prospective : Les variations futures de ces émissions sont incertaines, mais on prévoit une augmentation des apports de l'énergie fossile, des déchets, des sources agricoles et marines du fait du développement de la population mondiale, de l'industrialisation de certains pays et de la demande croissante en énergie, mais aussi du réchauffement climatique. Mais, comme indiqué plus haut, le fait est , en contradiction avec ces «prévisions», que la concentration du méthane n'augmente plus.

Les puits de méthane

Les différents mécanismes d'élimination du méthane atmosphérique retirent à peu près 515 Mt/an. Le principal puits à CH4 est le radical hydroxyle OH. contenu dans l'atmosphère, qui contribue à 90% de la disparition de CH4. Le radical OH, agent oxydant des principaux polluants de l'atmosphère (CH4, CO, NOx, composés organiques), provient de la dissociation photochimique de O₃ et de H2O. La teneur en radical hydroxyle est par conséquent influencée par la concentration atmosphérique en CH4 mais également par celle de ses produits, dont CO. De même, divers mécanismes affectent la teneur en OH.  :

On a constaté que depuis 1750, le niveau d'OH a diminué d'environ 20% du fait de l'augmentation en CO et CH4, et est actuellement stable. D'ici 2050, ce niveau devrait toujours diminuer de 25%, ce qui aura un impact important sur les teneurs en éléments traces gazeux. Les 10% restants sont dus à l'oxydation du méthane en terrain sec par des bactéries méthanotrophes qui l'utilisent comme source de carbone, mais aussi par son transfert vers la stratosphère.

L'évolution de la concentration en méthane semble marquer le pas[33] (2007)  ; cela pourrait s'expliquer par une destruction accélérée de molécules d'ozone O3, catalysée par des radicaux NO. en plus grande quantité[34], . [35]

Diminuer les émissions de méthane et/ou en faire un carburant

Il existe des moyens de diminuer les émissions de méthane pour diminuer son action sur l'effet de serre :

Biocarburant de troisième génération

Pour produire un méthane de décharge assez pur et pour faire un bon biocarburant de troisième génération, un «digesteur anaérobie» inspirée de la digestion anaérobie à l'œuvre dans la panse des bovins est expérimenté au Canada. Des microorganismes méthanogènes vivant en symbiose avec les vaches savent produire plus de méthane que de CO2, mais ils ont des exigences précises, en température et humidité surtout. La difficulté est de conserver les conditions de vies optimales de ces organismes dans un milieu constitué de déchets, ce qu'on tente ici de faire au moyen d'électrodes spéciales régulant la température du milieu. Ce sont ensuite des fibres creuses constituées d'une membrane perméable qui devraient séparer le CO2 du méthane qui pourra ensuite être brûlé comme source d'énergie, utilisé par la carbochimie ou compressé et stocké. [36]

Notes et références

  1. METHANE, fiche de sécurité du Programme International sur la Sécurité des Substances Chimiques, consultée le 9 mai 2009
  2. Masse molaire calculée selon Atomic weights of the elements 2007 sur www. chem. qmul. ac. uk
  3. Entrée de «Methane» dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la BGIA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 26 mai 2009 (JavaScript indispensable)
  4. METHANE sur Hazardous Substances Data Bank
  5. (en) Robert H. Perry et Donald W. Green, Perry's Chemical Engineers'Handbook, McGraw-Hill, USA, 1997, 7e éd. , 2400 p. (ISBN 0-07-049841-5) , p.  2-50 
  6. (en) Iwona Owczarek et Krystyna Blazej, «Recommended Critical Pressures. Part I. Aliphatic Hydrocarbons», dans J. Phys. Chem. Ref. Data, vol.  35, no 4, 18 septembre 2006, p.  1461 lien DOI ] 
  7. (en) Iwona Owczarek et Krystyna Blazej, «Recommended Critical Temperatures. Part I. Aliphatic Hydrocarbons», dans J. Phys. Chem. Ref. Data, vol.  32, no 4, 4 août 2003, p.  1411 lien DOI ] 
  8. (en) Irvin Glassman, Richard A. Yetter, Combustion, Elsevier, 2008, 4e éd. , 773 p. (ISBN 978-0-12-088573-2) , p.  6 
  9. (en) Carl L. Yaws, Handbook of Thermodynamic Diagrams, vol.  1, 2 et 3, Gulf Pub. Co., Huston, Texas, 1996 (ISBN 0-88415-857-8, ISBN 0-88415-858-6, ISBN 0-88415-859-4)  
  10. Magalie ROY-AUBERGER, Pierre MARION, Nicolas BOUDET, Gazéification du charbon, ed. Techniques de l'Ingénieur, Référence J5200, 10 Dec 2009, p. 4
  11. (en) David R. Lide, Handbook of chemistry and physics, CRC, 2008, 89e éd. , 2736 p. (ISBN 9781420066791) , p.  10-205 
  12. «méthane» sur ESIS, consulté le 15 février 2009
  13. «Méthane» dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  14. Numéro index 601-001-00-4 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008)
  15. Biographie | http ://www. cartage. org. lb/en/themes/biographies/MainBiographies/V/Volta/1. html
  16. (en) F. Suarez, J. Furne, J. Springfield et M Levitt, «Insights into human colonic physiology obtained from the study of flatus composition», dans Am J Physiol, vol.  272 (5 Pt 1), 1997, p.  G1028–33 .
  17. Température d'auto-inflammation du méthane dans l'air
  18. S. Atreya, «Le méthane, signe de vie sur Mars et Titan ?», dans Pour la Science, juin 2007, p.  38-45 
  19. La Rercherche, Mars 2009, citant M. Mumma et al., in Science, 2009
  20. Benjamin Dessus, Hervé Le Treut et Bernard Laponche, «Effet de serre, n'oublions pas le méthane» dans La Recherche (ISSN 0029-5671) n°417 (mars 2008) [lire en ligne  (page consultée le 25 juillet 2008) ]
  21. Fiore, A. M., D. J. Jacob, B. D. Field, D. G. Streets, S. D. Fernandes, and C. Jang (2002), Linking ozone pollution and climate change : The case for controlling methane, Geophys. Res. Lett., 29 (19), 1919, doi :10.1029/2002GL015601 (Résumé)
  22. Concentration du méthane mesurée à Mauna Loa (Hawaï)
  23. Site du CSIRO (graphique montrant une stabilisation du CH4 atmosphérique (à l'époque non expliquée) de 2000 à 2003
  24. Évolution du taux de méthane atmosphérique
  25. http ://www. ipcc. ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-spm-fr. pdf
  26. Bulletin ADIT pour l'Australie numéro 61 (2009 01 15) - Ambassade de France en Australie / ADIT, reprenant une information du CSIRO
  27. Communiqué (daté de 2006) du CSIRO intitulé "Explaining the methane mystery", Reference : 06/188
  28. Nature, Avril 2008
  29. étude dirigée par Natalia Chakhova et Igor Semiletov, Université de Fairbanks en Alaska
  30. http ://lci. tf1. fr/science/environnement/2010-03/climat-la-menace-venue-du-fond-des-oceans-5758974. html TF1, rubrique Science/Environnement], mars 2010, consulté 2010 04 29
  31. Journal of Animal Science, 2007
  32. AFP. Des bus roulent déjà à Stockholm, et en essai à Oslo et Lille.
  33. Evolution de la concentration de méthane dans l'atmosphère
  34. Réactivité du méthane et de l'ozone en haute atmosphère
  35. Inversion des sources et puits de gaz dans l'atmospgère
  36. Brève avec Interview d'Edith Labelle, de l'Institut de technologie des procédés chimiques et de l'environnement du CNRC par nrc-cnrc. 2010-05-19, consulté 2010/07/14

Voir aussi

  • Gaz à effet de serre
  • Changement climatique
  • Pyrolyse
  • Gazogène
  • Environnement
  • Hydrate de méthane
  • Méthanisation
  • Archea méthanogène (espèce produisant du méthane) ;
  • Méthanotrophes (espèces consommant du méthane pour s'en nourrir)


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