Méthane
Vue 3D de la molécule de méthane
Général
Formule brute	CH4
Nom IUPAC	Méthane (Le méthane (R50) est un hydrocarbure de la famille des alcanes.)
Numéro CAS	[74-82-8]
Code ATC
Apparence	gaz (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi indépendants (pour plus de détails, voir gaz réels).)
Propriétés physiques
Masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur interaction gravitationnelle.) moléculaire	16,043 u
Température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de son énergie thermique. Elle est définit par l'équilibre de transfert de chaleur avec d'autres systèmes.) de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de...)	90,55 K (-182,6 °C)
Température de vaporisation	111,75 K (-161,4 °C)
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le méthane (R50) est un hydrocarbure de la famille des alcanes.

Cette molécule possède 1 atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre....) de carbone (Table complète - Table étendue) (C) et 4 atomes d'hydrogène (Table complète - Table étendue) (H).

Le méthane est le composant principal du gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures trouvé naturellement sous forme gazeuse. C'est la deuxième source d'énergie la plus utilisée dans le monde après le pétrole et son usage se développe...). C'est le principal constituant du biogaz (Le biogaz est le gaz produit par la fermentation de matières organiques animales ou végétales en l'absence d'oxygène.) issu de la fermentation de matières organiques animales ou végétales en l'absence d'oxygène. Il est fabriqué par des bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une...) méthanogènes qui vivent dans des milieux anaérobiques c'est-à-dire sans oxygène.

Le méthane est ainsi le seul hydrocarbure classique qui peut être obtenu grâce à un processus biologique naturel. Nous utilisons principalement du gaz naturel et donc du méthane fossile, mais l'utilisation du méthane renouvelable, aussi appelé 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 (En géographie, un marais est un type de formation paysagère, au relief peu accidenté, où le sol est recouvert, en permanence ou par intermittence, d'une couche d'eau stagnante, en général peu profonde, et couvert de végétation.) et les terres inondées. Il se forme aussi dans l'estomac des mammifères. C'est d'ailleurs le gaz principal des flatulences.

Des quantités importantes de méthane sont piégées sous forme d'hydrates de méthane au fond des océans. Mais attention : le carbone de ce méthane fossile n'est plus (du fait de la désintégration isotopique survenue sur des dizaines de milliers d'années), le plus souvent, du carbone 14 (Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone, noté 14C.) (¹⁴C) mais son isotope : le carbone 12 (¹²C). En cas de réchauffement climatique important, ce ¹²C, pourrait être largement relargué, ce qui ne serait pas sans poser de nombreux problèmes écologiques supplémentaires. De plus il en irait de même du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est :...) (CO₂) " fossile " piégé en encore plus grandes quantités au fond des océans sous forme de sels (principalement des bicarbonates)...

Quelques propriétés

numéro EINECS	200-812-7
Code	R50
Propriétés physiques
Point (Graphie) triple	90,68 K (-182,47 °C)
	11,7 kPa
Point critique	190,45 K (-82,7 °C)
	4,596 MPa
Masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du matériau appelée masse volumique: ) (à -164 °C)	415 kg/m³

• Aux conditions normales de température et de pression (La pression est la force exercée sur une surface donnée.), c'est un gaz plus léger que l'air, incolore et inodore. Il se liquéfie à -161,4 °C et se solidifie à -182,6 °C.
• La densité (La densité est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume d'eau pure à la température de 3,98 °C.) du méthane liquide (La phase liquide est un état de la matière.) est de 0,415 à -164 °C.
• Sa solubilité dans l'eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un composé chimique simple, mais avec des propriétés complexes à cause de sa polarisation (voir Nature dipolaire de...) est de 0,4 ml pour 100 ml d'eau à la température de 20 °C, cette solubilité dans l'alcool est de 47 ml à la même température et de 104 ml à 10 °C dans l'éther, toujours pour le même volume (En physique, le volume d'un objet mesure « l'extension dans l'espace » qu'il possède dans les trois directions en même temps, de même que l'aire d'une figure dans le plan mesure...) de 100 ml.
• Le méthane est un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction...). Il s'enflamme à 667 °C en présence d'oxygène. La réaction de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) du méthane s'écrit :

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O méthane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau

• 1 m³ de méthane à 15 °C (gaz naturel) libère une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de 9,89 kWh (35,6 MJ)
• Le méthane (en fait, le gaz naturel, constitué à plus de 90% de méthane) est transporté par navires (méthaniers) à une température de -162 °C et à une pression voisine de la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.). Les réservoirs sont construits sur le principe de la " bouteille thermos " et leur capacité peut aller jusqu'à 40 ou 50 000 m³ de gaz liquide par réservoir. Un méthanier (Un méthanier est un navire servant à transporter du gaz naturel liquéfié dans ses citernes. On appelle ces navires aussi LNG (Liquefied natural gas) tankers.) comportant plusieurs réservoirs, sa cargaison (La cargaison est l'ensemble des marchandises transportées. Le terme s'applique au transport de bétail mais ne s'applique pas aux passagers. (Fret est un synonyme.) On parle de cargaison dans tous les modes de transport:) peut actuellement atteindre 154 000 m³ de GNL, Gaz Naturel Liquéfié, composé à plus de 90% de méthane. Les futurs méthaniers pourront transporter jusqu'à 260 000 m³ de GNL . Le volume du méthane à l'état gazeux est égal à 600 fois son volume à l'état liquide, à pression atmosphérique.
• Le méthane est considéré comme très dangereux, car il explose facilement, dans les raffineries. Les torchères le brûlent pour éviter les problèmes. Ce point doit être modifié pour récupérer le méthane dans des conditions de sécurité correctes. C'est une explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation...) due au méthane qui a soufflé la raffinerie Total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique...) de Châteauneuf-les-Martigues en 1992.

Histoire

Alessandro Volta (Le comte Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (18 février 1745 - 5 mars 1827) était un physicien italien. Il est connu pour ses travaux sur l'électricité, et pour l'invention de la pile...) découvre le méthane en 1776 en s'intéressant au " gaz des marais " (l'ancien nom du méthane).

C'est à cause du grisou, responsable (encore de nos jours) de trop nombreuses catastrophes minières que furent mises au point, les lampes de sécurité dans les mines de charbon, et notamment la lampe à acétylène.

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 (L'effet de serre est un processus naturel de réchauffement de l'atmosphère qui intervient dans le bilan radiatif de la Terre. Il est dû aux gaz à effet de serre (GES)...).

Ce n’est qu’avec la conquête spatiale que l’on a découvert l’omniprésence de ce corps dans l’Univers (On nomme univers l'ensemble de tout ce qui existe, comprenant la totalité des êtres et des choses (celle-ci comprenant ou non, selon les philosophies, les choses immatérielles) et les lois qui le régissent. Si l'on suppose qu'il y a plusieurs...).

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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) de distribution. La proportion de méthane présent dans le gaz naturel que nous utilisons est supérieure à 90% dans la plupart des gaz.

Le méthane biologique, ou biogaz, qui est produit par la fermentation anaérobie (On appelle milieu anaérobie un milieu où il n'y a pas présence de dioxygène (O2).) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) comporte 50 à 80 % de méthane, (60-65% généralement)

Le biogaz produit dans les décharges pourrait être (bien davantage) récupéré et valorisé sous forme d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la...), de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) ou comme carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en conséquence. C'est un des moyens de transport...). Pour l'instant, seules quelques expériences isolées (dans des fermes, des déchetteries...) ont vu le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...), spécialement 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. (voir l'expérience en prison rwandaise)

Contribution à l'effet de serre

Le méthane, gaz à effet de serre

Le méthane est un gaz à effet de serre qui influe sur le climat. Il absorbe une partie du rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par...) infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) émis par la Terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant du Soleil.), 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 (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) à oxyder d'autres gaz à effet de serre (comme les fréons). Son utilisation comme combustible émet du CO₂ à hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) 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 moins importante que celle du dioxyde de carbone mais elle est quand même préoccupante. Une molécule de méthane absorbe 24 fois plus de rayonnement qu'une molécule de dioxyde de carbone. Le méthane est considéré comme le 3e gaz responsable du dérèglement climatique, après le CO₂ et les fréons).

Dans le passé, le taux de méthane dans l'atmosphère a varié comme la température. La concentration de méthane a augmenté d'environ 150 % depuis 1750 et atteint aujourd'hui un taux inégalé dans l'histoire. Cette augmentation est principalement due aux activités humaines.

On estime que sans sa présence, la température moyenne (Il y a plusieurs façon de calculer une moyenne d'un ensemble de nombres. Celle qu'il convient de retenir dépend de la grandeur physique que représentent ces nombres....) de surface (Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent abusivement confondu avec sa mesure...) de la Terre serait plus basse de 1,3°C.

Sources de méthane

Globalement, on estime les émissions de CH_4> vers l’atmosphère à 500 Mt/an, dont les trois quarts proviennent de sources d’origine anthropique.

Les principales sources sont :

• Les zones humides : 32% des émissions.

Les marais, les mangroves tropicales et les rizières sont sujets à l’action de bactéries méthanogènes en milieu anaérobie. La température a une incidence sur les émissions, qui atteignent leur valeur maximale entre 37 °C et 48 °C, d’où une amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) des émissions en cas de réchauffement.

• Les énergies fossiles : 21% des émissions

Le gaz naturel est composé à 90% de méthane. Les fuites dans l'atmosphère lors de son extraction, de son transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.), de son traitement et de sa distribution pourraient représenter jusqu'à 2% de la production de gaz naturel, les trois quarts de ces fuites ayant lieu chez le client (Le mot client a plusieurs acceptations :), après le compteur. De même, le gaz piégé dans les filons de charbon lors de sa formation est relâché lors de l’extraction du minerai. Si l'on ne veut pas réduire l’utilisation de ces énergies fossiles et sans un investissement massif (Le mot massif peut être employé comme :) dans les énergies alternatives, il faut donc rechercher des solutions pour limiter les fuites.

• Les ruminants : 16% des émissions.

Le méthane est un produit de la digestion incomplète lors de la fermentation gastro-entérique des ruminants. Une seule vache peut émettre 100 à 500 litres de méthane par jour. À cela s’ajoutent les déchets émis qui continuent leur décomposition sur le sol. Une seule solution : améliorer le régime de ces animaux et éviter le stockage des déchets, qui ne peuvent pas se dessécher lorsqu’ils sont entassés.

• Les déchets humains : 12% des émissions

Les lieux de stockage des déchets fermentent et émettent du méthane ; ce gaz pourrait être réutilisé comme source d’énergie.

• La biomasse : 10% des émissions

Le méthane émis provient de la combustion incomplète des végétaux, mais surtout de leur décomposition organique naturelle (comme les feuilles mortes des sous-bois).

• Les sédiments et océans : 4% des émissions

Les hydrates contenant du méthane (clathrates) pourraient émettre du gaz en cas de perturbation de la température océanique et/ou du dégel de certains sols riches de la toundra sibérienne et canadienne, mais ces émissions sont limitées actuellement. Toutefois, une augmentation de température entraîne une augmentation de l'émission de CH₄ par les clathrates. Cette source pourrait donc constituer une véritable bombe à retardement climatique en cas de réchauffement des fonds océaniques.

Les variations futures de ces émissions restent incertaines, on prévoit cependant une augmentation des apports de l’énergie fossile (L'énergie fossile désigne l'énergie que l'on produit à partir de roches issues de la fossilisation des êtres vivants : pétrole, gaz naturel et...), des déchets et des sources agricoles, du fait du développement de la population mondiale, de l’industrialisation de certains pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la...) et de la demande croissante en énergie.

Les puits de méthane

Les différents mécanismes d’élimination du méthane atmosphérique retirent environ 515 Mt/an. Le principal puits à CH? est le radical hydroxyde OH^- contenu dans l’atmosphère, qui contribue à 90% de la disparition de CH?. OH, agent oxydant des principaux polluants de l’atmosphère (CH?, CO, NOx, composés organiques), provient de la dissociation photochimique de O? et de H?O. La teneur en radical hydroxyde est donc influencée par la concentration atmosphérique en CH? mais aussi par celle de ses produits, dont CO. De même, divers mécanismes affectent la teneur en OH^- :

• l’augmentation de concentration urbaine en NOx engendre plus de formation d’O? et donc plus de dissociation en OH^- ;
• la chute de la concentration d’O? stratosphérique induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en...) plus de rayonnement UV atteignant la troposphère (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres, selon la latitude et la saison. Elle est plus épaisse à...) et donc plus de dissociation d’O? troposphérique ;
• l’augmentation de la vapeur d’eau résultant de l’augmentation de la température moyenne produit plus de nuages bloquant les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun....) de protons, effet réduisant la formation d’OH^-, et plus de vapeur d’eau, réactif de formation d’OH^-.

On a constaté que depuis 1750, le niveau d’OH^- a diminué d’environ 20% du fait de l’augmentation en CO et CH?, et est aujourd’hui stable. D’ici 2050, ce niveau devrait encore 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, ainsi que par son transfert vers la stratosphère (La stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, se situant au-dessus de la troposphère et sous la mésosphère. Les températures atteintes dans l'atmosphère sont...).

Réduire les émissions de méthane

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

• capter le méthane, ou biogaz, émis au niveau des décharges d'ordures ou stations d'épuration et l'utiliser au lieu de le brûler en torchère.
• capter et utiliser le méthane, ou biogaz, produit au niveau des systèmes de stockage des effluents d'élevages
• récupérer le méthane émis lors de l'exploitation minière
• sélectionner des espèces de riz moins productrices de méthane et utiliser moins de fertilisants, drainer régulièrement les eaux

• au niveau personnel :
  • réduire sa consommation de viande (en particulier bovine)
  • réduire sa consommation de riz (voir le lien entre riziculture et l'effet de serre)

Le méthane dans l'Univers (source ESA)

• Le méthane a été retrouvé à l'état de traces dans plusieurs nuages interstellaires.
• Le méthane se trouve partout sur Titan, et même sous forme de lacs, de rivières, et de mers (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.). Sa présence en a été établie dès 1944. Au point que la chaleur dégagée par la sonde Huygens, lors de l'impact du 14 janvier 2005 a provoqué un notable dégagement de méthane gazeux.
• Titan présente une atmosphère uniforme d'azote-méthane. Il ne pleuvait pas lorsque la sonde Huygens s'est posée sur Titan, mais l'ESA n'exclut pas que des averses de méthane y soient fréquentes. Simplement, l'aridité du sol absorberait rapidement ces précipitations, à la manière des déserts terrestres.
• Des traces de méthane on également été découvert dans l'atmosphère de Mars (L’atmosphère de Mars désigne la couche de gaz entourant la planète Mars. La pression au sol de l'atmosphère martienne varie entre 30 Pa...)^[1].
• Quelque part, dans l'Univers, une vie à base de méthane et non plus d'eau est-elle concevable sinon possible ? C'est l'une des grandes questions posées par cette mission. Avec Cassini (La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), l'Agence spatiale européenne (ESA)...) c'est donc toute notre conception des exoplanètes (et donc du monde) qui est à revoir.
• L'atmosphère de méthane y permettrait le vol de " moins lourds que l'air " au point que les planétologues de l'ESA, rêvent d'y envoyer des ballons, des montgolfières, des robots mobiles… afin de comprendre ce monde (Le mot monde peut désigner :) extraterrestre dont on ne vient d'explorer qu'une infime partie.
• Dans quatre milliards d'années, lorsque le soleil ((pourcentage en masse)) enflera démesurément avant d'exploser et d'engloutir la Terre, les planétologues s'amusant à imaginer le temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se transforment et évoluent pour l'observateur qu'est l'homme. Si on considère...) qu'il ferait sur Titan, pensent qu'il devrait faire bon y vivre dans son atmosphère de méthane (pendant un bref moment seulement).

Notes et références

Les premiers alcanes : méthane, éthane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, octane, nonane, décane