Sciences · Chimie
Méthane (CH₄)
Le méthane, de formule CH₄, est le plus simple des hydrocarbures : un carbone lié à quatre hydrogènes. Principal constituant du gaz naturel, c’est le deuxième gaz à effet de serre d’origine humaine.
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Le méthane chauffe les logements et cuit les repas de centaines de millions de foyers, produit de l’électricité et sert de matière première à l’industrie chimique. Il est aussi émis par les marais, les rizières, les ruminants et les décharges. Sa concentration atmosphérique a plus que doublé depuis l’ère préindustrielle, passant d’environ 0,7 ppm à plus de 1,9 ppm, ce qui en fait un levier important de la lutte contre le réchauffement.
Structure
Le carbone forme quatre liaisons covalentes simples avec quatre atomes d’hydrogène. Les quatre doublets se repoussent également : la molécule est un tétraèdre régulier, avec des angles H–C–H de 109,5°. Les liaisons C–H étant très peu polaires et la molécule symétrique, le méthane est apolaire.
Propriétés
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Masse molaire | 16,0 g/mol |
| Ébullition | −161,5 °C |
| Fusion | −182,5 °C |
| Densité par rapport à l’air | ≈ 0,55 (plus léger que l’air) |
| Solubilité dans l’eau | très faible |
| Limites d’explosivité dans l’air | ≈ 5 à 15 % en volume |
| Pouvoir calorifique | ≈ 50 MJ/kg (pouvoir calorifique inférieur) |
Il est inodore : le gaz naturel distribué est volontairement odorisé avec des composés soufrés (mercaptans, tétrahydrothiophène) pour que les fuites soient détectables.
La combustion
Combustion complète : CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O, en libérant environ 890 kJ par mole.
À énergie égale, le méthane émet moins de CO₂ que le charbon ou le pétrole, car il contient plus d’hydrogène par atome de carbone. En manque d’air, sa combustion devient incomplète et produit du monoxyde de carbone, gaz mortel : chaudières et chauffe-eau doivent être entretenus et les pièces ventilées. Voir la combustion.
Le coup de grisou
Le grisou, mélange de méthane et d’air accumulé dans les mines de charbon, a causé les pires catastrophes minières. La plus meurtrière d’Europe, à Courrières (Pas-de-Calais) en 1906, a fait 1 099 morts ; elle est attribuée à un coup de grisou suivi d’un coup de poussière. La lampe de sûreté de Humphry Davy (1815), dont la flamme est entourée d’une toile métallique, a été la première parade.
Les autres réactions
- Vaporeformage : CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂, vers 800 à 900 °C sur catalyseur au nickel. C’est la principale source mondiale de dihydrogène, utilisé notamment pour l'ammoniac.
- Substitution radicalaire : à la lumière, le dichlore remplace un à un les hydrogènes, donnant les chlorométhanes (dont le chloroforme CHCl₃), selon un mécanisme à radicaux libres.
- Synthèse du méthanol et de nombreux produits de la chimie de base via le gaz de synthèse (CO + H₂).
D’où vient le méthane ?
| Source | Processus | Origine |
|---|---|---|
| Zones humides | décomposition de la matière organique sans oxygène par des archées méthanogènes | naturelle |
| Ruminants | fermentation dans la panse des bovins, ovins, caprins, rejetée surtout par éructation | humaine (élevage) |
| Rizières inondées | méthanogenèse dans les sols gorgés d’eau | humaine |
| Décharges et eaux usées | fermentation des déchets organiques | humaine |
| Gaz, pétrole, charbon | fuites lors de l’extraction, du transport et de l’usage | humaine |
| Termites, océans, hydrates | divers | naturelle |
La part d’origine humaine représente environ 60 % des émissions actuelles, l’agriculture, les combustibles fossiles et les déchets en constituant l’essentiel.
Le biogaz
La méthanisation contrôlée de déchets agricoles, de boues d’épuration ou de biodéchets produit un biogaz riche en méthane, qui peut être brûlé ou épuré en biométhane et injecté dans le réseau de gaz. C’est une énergie renouvelable (voir les énergies renouvelables).
Le méthane et le climat
Le méthane est un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant que le CO₂, molécule pour molécule, mais il disparaît plus vite de l’atmosphère, où il est détruit en une dizaine d’années environ par réaction avec les radicaux hydroxyle.
| Indicateur | CO₂ | CH₄ |
|---|---|---|
| Durée de vie moyenne dans l’atmosphère | des siècles à des millénaires pour une partie | ≈ 12 ans |
| Pouvoir de réchauffement global sur 100 ans | 1 | ≈ 28 à 30 |
| Pouvoir de réchauffement global sur 20 ans | 1 | ≈ 80 |
Selon le GIEC, le méthane est responsable d’environ 0,5 °C du réchauffement observé depuis l’ère préindustrielle. Réduire ses émissions, en colmatant les fuites gazières par exemple, a un effet rapide sur le climat. Voir le réchauffement climatique.
Ailleurs dans l’Univers
Le méthane est abondant dans les atmosphères des planètes géantes : il donne à Uranus et Neptune leur couleur bleutée en absorbant la lumière rouge. Sur Titan, satellite de Saturne, il forme des nuages, des pluies et des lacs à environ −180 °C.
Questions fréquentes
Le méthane a-t-il une odeur ?
Non, il est inodore. L’odeur caractéristique du gaz de ville vient d’un additif soufré ajouté volontairement pour détecter les fuites. Celle des marais vient en partie d’autres gaz, comme le sulfure d’hydrogène.
Les vaches émettent-elles beaucoup de méthane ?
Une vache laitière émet de l’ordre d’une centaine de kilogrammes de méthane par an, surtout par éructation. À l’échelle mondiale, l’élevage de ruminants est l’une des principales sources de méthane d’origine humaine.
Gaz naturel et méthane, est-ce la même chose ?
Le gaz naturel est un mélange composé en majorité de méthane (souvent 80 à plus de 95 %), avec un peu d’éthane, de propane, de diazote et de CO₂.