Méthane – production, propriétés et utilisation

Méthane : caractéristiques générales

Le méthane est le composé le plus simple de la série homologue des hydrocarbures aliphatiques. La formule moléculaire du méthane est CH ₄ . Sa molécule est composée d’un atome de carbone et de quatre atomes d’hydrogène. Toutes les liaisons entre les atomes de la molécule de méthane sont covalentes (liaisons sigma). Il a été démontré expérimentalement qu’ils ont la même longueur et la même énergie. Les angles entre les liaisons sont égaux à 109°28′. La molécule de méthane a la forme d’un tétraèdre régulier. En conséquence, l’atome de carbone adopte l’hybridation sp ³ .

Préparation et propriétés

Le méthane est assez courant dans la nature, le gaz naturel étant sa principale source. Les gisements de ce combustible fossile se trouvent le plus souvent en profondeur sous terre ou au fond des mers et des océans, d’où il est extrait. Le produit obtenu à partir de telles sources est souvent appelé gaz organique, c’est-à-dire gaz généré par la transformation de matières organiques, sous haute température et pression. Le méthane se retrouve également dans le grisou accompagnant les gisements de houille, ainsi que dans les gaz des marais libérés lors de la décomposition des résidus végétaux. Dans ce dernier cas, le gaz est le produit d’une série de processus de décomposition de substances organiques. Des quantités importantes de méthane s’accumulent sous les fonds marins sous forme de clathrates de méthane, où le méthane gazeux est piégé dans une sorte de « cage » formée par des molécules d’eau. En laboratoire, le méthane est obtenu de plusieurs manières. L’un d’eux est la synthèse directe à partir de carbone et d’hydrogène à haute température (500°C) . Les laboratoires utilisent souvent la réaction du carbure d’aluminium avec l’eau pour produire des molécules de méthane, ainsi que de l’hydroxyde d’aluminium. Lorsque vous effectuez la réaction, vous devez vous rappeler que le méthane est une substance gazeuse, donc si vous souhaitez collecter le produit résultant, vous devez préparer un système spécial pour capturer les produits gazeux. Une autre méthode en laboratoire consiste à chauffer un mélange d’acétate de sodium et d’hydroxyde de sodium à une température élevée (décarboxylation). Les propriétés physiques et chimiques du méthane :

• Gaz inodore et incolore à température ambiante.
• Hautement inflammable. Il brûle avec une flamme bleue.
• Les molécules de méthane simples sont très stables, cependant, leur mélange avec l’air ou l’oxygène est explosif (teneur en méthane de 5 %à environ 14 %en volume).
• Le gaz résiste aux agents chimiques.
• Sa densité est inférieure à celle de l’air.
• Il est insoluble dans l’eau.
• Bien soluble dans les solvants organiques.
• Ce n’est pas toxique.

Le méthane subit un certain nombre de réactions chimiques importantes. Les plus importantes comprennent les réactions de combustion . Avec un apport d’air illimité, une combustion complète du méthane se produit. La réaction donne du dioxyde de carbone et de l’eau. Ce type de combustion est le plus sûr et le plus efficace. Lorsque l’apport d’oxygène est limité, une combustion incomplète du méthane a lieu. Selon la quantité d’oxygène fournie, les produits d’une telle combustion comprennent soit du monoxyde de carbone (II) toxique et de l’eau, soit du carbone et de l’eau. Le méthane ne réagit pas avec le brome et l’acide permanganique. Ceci explique l’absence de changement de couleur de l’eau bromée et de la solution de permanganate de potassium (VII). Cependant, il réagit relativement facilement avec le chlore . Les réactions alcanes avec les halogènes sont hautement exothermiques. Les réactions entre le méthane et le chlore sont radicales. Il est important de noter que la chloration de cet alcane le plus simple ne se produit pas dans l’obscurité (elle est généralement initiée par la lumière). Pour que la réaction se produise, l’ensemble du système devrait être chauffé à une température supérieure à 250°C . La chloration du méthane se produit lorsqu’une molécule de chlore se décompose en deux radicaux, qui réagissent ensuite avec l’autre substrat et conduisent à la formation de radicaux méthyle et de chlorure d’hydrogène. La réaction de chloration ne s’arrête pas à l’étape de monochloration. Les radicaux formés interagissent avec des molécules de chlore ou des radicaux de chlore. Une molécule qui ne subit pas de chloration supplémentaire est le tétrachlorure de carbone, où tous les atomes d’hydrogène sont remplacés par des atomes de chlore. En effet, le mélange final contient tous lesdits dérivés.

Principales applications du méthane dans l’industrie

L’une des principales applications du méthane est son utilisation comme source d’énergie . L’énergie est obtenue en brûlant des carburants contenant ce composé. Le gaz naturel est un exemple de ce type de carburant. Sa teneur en méthane dépasse 90 %. Une fois extrait, il va presque directement aux consommateurs privés et au secteur industriel. La combustion du méthane est également utilisée dans les turbines à gaz pour produire de l’électricité et de la chaleur. Il peut également être utilisé pour chauffer les habitations. Le méthane est utilisé pour propulser les véhicules automobiles . En tant que carburant, il est commercialisé sous le nom de CNG (gaz naturel comprimé) ou LNG (gaz naturel liquéfié) . Sa combustion dans les voitures est bien plus efficace que celle du diesel ou de l’essence. L’ industrie chimique est évidemment une grande consommatrice de méthane. Une application chimique est la production d’hydrogène dans un processus appelé reformage à la vapeur. Par conséquent, l’intérêt croissant pour l’hydrogène en tant que carburant du futur entraîne également un intérêt croissant pour le méthane. D’autres procédés chimiques utilisant du méthane comprennent la production de méthanol , de gaz de houille ou de plastiques . Le méthane est également indirectement impliqué dans la production de pneus. La suie produite par la combustion incomplète du gaz est l’un des ingrédients utilisés pour renforcer le caoutchouc utilisé dans la fabrication des pneus de voiture. La même suie peut être utilisée dans la production de peintures et d’encres d’imprimerie .

Le méthane comme gaz à effet de serre

Parmi les gaz et émissions qui ont le plus grand impact sur le réchauffement climatique, le dioxyde de carbone arrive en tête. Il s’agit d’un type de polluant qui persiste très longtemps dans l’atmosphère, jusqu’à plusieurs milliers d’années. Cependant, le méthane constitue une menace encore plus dangereuse pour le climat . En tant que polluant, il n’est présent « que » pendant 10 à 15 ans, bien moins longtemps que le dioxyde de carbone, mais son impact sur l’effet de serre est bien plus important.

Clathrates de méthane

Un exemple intéressant de gisements de méthane qui pourraient potentiellement constituer une source précieuse de cette substance sont les clathrates de méthane. Compte tenu de leur structure chimique, on les appelle souvent hydrate de méthane, hydrométhane ou glace de méthane. Les clathrates de méthane sont une combinaison de molécules d’eau et de molécules de méthane. L’eau forme dans ce cas une structure en forme de cage à l’intérieur de laquelle le méthane est piégé. Il n’y a aucune liaison chimique entre eux. Les clathrates sont caractérisés par une structure cristalline et se forment sous une pression accrue. Physiquement, ils ressemblent à des solides blancs. Ils sont inodores et ressemblent à de la mousse de polystyrène au toucher. Le plus souvent, on trouve des clathrates de méthane, composés de 46 molécules d’eau qui entourent deux « cages » de petite et six « cages » de taille moyenne. Le méthane est emprisonné à l’intérieur. Les clathrates de méthane ne constituent pas encore une source d’énergie entièrement explorée. C’est en raison de la possibilité d’en extraire des quantités importantes de méthane à des fins de production d’énergie qu’elles suscitent un intérêt considérable. La matière première qui en résulte peut constituer une très bonne alternative aux sources conventionnelles d’ hydrocarbures . Toutefois, le manque de connaissances sur l’extraction du méthane des clathrates présente un risque important pour l’environnement, qui peut être la conséquence d’un rejet incontrôlé de méthane dans l’atmosphère.

Biométhane

Le biométhane est défini comme un gaz obtenu à partir du biogaz. Le biogaz, quant à lui, est un gaz obtenu à partir de la biomasse. Il se forme lors de la transformation de la matière organique, notamment des déchets végétaux et animaux, des décharges ou des stations d’épuration des eaux usées. Le méthane représente généralement environ 55 %du biogaz. Le biogaz est généralement utilisé directement, tandis que sa purification en biométhane pur n’est entreprise que dans des situations exceptionnelles. Le biométhane se présente sous deux états de la matière : gazeux et liquide. Il se forme lors de la fermentation méthanique des déchets biologiques. La quasi-totalité du biométhane ainsi obtenu est destinée à la production d’énergie. De nombreuses entreprises et usines de fabrication utilisent le biogaz et le biométhane qu’il contient pour alimenter des équipements qui utilisent désormais souvent l’énergie du gaz naturel. Même s’il s’agit d’une source d’énergie renouvelable, la combustion du biométhane entraîne d’importantes émissions de dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre. Lisez aussi : éthane , propane , butane .