Méthane (CH4) est un gaz incolore et inodore à géométrie tétraédrique. Ses propriétés chimiques le rendent utile comme source de carburant commune, dans la production d'hydrogène gazeux pour les engrais et les explosifs, et dans la synthèse de produits chimiques précieux. Cependant, le méthane est également un puissant gaz à effet de serre.
Formule et structure du méthane
Le méthane a la formule chimique CH4 et un poids moléculaire de 16,043 g/mol. La molécule de méthane est tétraédrique, avec l'atome de carbone au centre et les quatre atomes d'hydrogène aux coins du tétraèdre. Chaque liaison C-H est équivalente et chaque liaison est séparée par un angle de 109,5°.
Propriétés physiques du méthane
Plus léger que l'air, le méthane a une densité de 0,657 g/L à 25 °C et 1 pression atmosphérique. Il se transforme en liquide en dessous de -162 °C et en solide en dessous de -182,5 °C. Le méthane est à peine soluble dans l'eau, avec une solubilité de 22,7 mg/L, mais est soluble dans divers solvants organiques tels que:
- éthanol
- l'éther diéthylique
- acétone
- benzène
Propriétés chimiques
Certaines des réactions chimiques les plus importantes impliquant le méthane sont la combustion et l'halogénation.
La combustion du méthane dégage d'importants Chauffer (891 kJ/mol). Il s'agit d'une réaction d'oxydation en plusieurs étapes et peut être résumée par l'équation suivante:
Une molécule de méthane gazeux réagit avec deux molécules d'oxygène gazeux dans des conditions de combustion pour former une molécule de gaz carbonique, deux molécules de vapeur d'eau et d'énergie.
Ne libérant que du dioxyde de carbone et de l'eau, le méthane est le combustible fossile le plus propre et constitue la majeure partie du gaz naturel. Bien que le méthane soit relativement stable, il peut être explosif lorsque son contenu se situe entre 5 et 14 pour cent dans l'air, et qu'il a été la cause de nombreuses catastrophes minières.
Bien que difficile à l'échelle industrielle, le méthane peut être partiellement oxydé en méthanol par l'enzyme méthane monooxygénase. Fait intéressant, un groupe de bactéries N-DAMO a adopté l'oxydation anaérobie du méthane avec du nitrite comme oxydant.
Le méthane peut également réagir avec l'halogène dans des conditions radicalaires comme suit:
Le radical chlore est d'abord généré par un initiateur radicalaire tel que lumière ultraviolette. Ce radical chlore soustrait un atome d'hydrogène du méthane pour former un chlore hydrogène et un radical méthyle. Le radical méthyle réagit alors avec une molécule de chlore (Cl2), résultant en chlorométhane et un radical chlore, qui passe par un autre cycle de réaction à moins qu'il ne soit terminé par un autre radical.
Utilisations du méthane
Il existe de nombreuses utilisations industrielles du méthane, grâce à ses propriétés chimiques polyvalentes. C'est une source importante d'hydrogène et de carbone pour divers matériaux organiques.
Le méthane est le principal composant du gaz naturel, qui est une source de combustible courante. Il est largement utilisé pour alimenter les maisons, les turbines, les automobiles et d'autres choses. Le méthane peut également être liquéfié pour faciliter le stockage ou le transport. Lorsqu'il est combiné avec de l'oxygène liquide, le méthane liquide raffiné peut servir de source de le carburant pour les fusées.
Le gaz naturel est également utilisé pour produire de l'hydrogène gazeux à l'échelle industrielle puisque le méthane peut réagir avec la vapeur à haute température (700 à 1 100 °C) pour produire du monoxyde de carbone et de l'hydrogène gazeux en présence d'un catalyseur. L'hydrogène est ensuite utilisé pour la fabrication de l'ammoniac, précurseur des engrais et des explosifs. En tant que bonne source de carbone, le méthane est également utilisé pour synthétiser le chloroforme, le tétrachlorure de carbone, le nitrométhane et le méthanol. Le noir de carbone généré lors de la combustion incomplète du méthane est un agent de renforcement du caoutchouc dans les pneus.
Le méthane comme gaz à effet de serre
Dans un système durable, le méthane rejeté dans l'atmosphère est absorbé par des puits de méthane naturels tels que le sol et le processus d'oxydation du méthane dans la troposphère.
Cependant, l'augmentation des émissions de méthane au cours des dernières décennies a contribué à l'effet de serre. Malgré sa faible concentration, le méthane réchauffe la planète 86 fois plus que le dioxyde de carbone, un autre gaz à effet de serre. Espérons que les efforts pour contrôler les émissions de méthane pourraient ralentir l'effet de serre avant qu'il ne soit trop tard.