L'hydrate de méthane pourrait-il un jour supplanter les énergies fossiles actuelles?
1. Composition et structure
Le méthane est une molécule chimique de la famille des alcanes. Les alcanes sont des hydrocarbures saturés composés uniquement de carbone (C) et d’hydrogène (H) liés à l’aide de liaisons simples seulement. La saturation vient du fait que chaque atome est lié par le maximum de liaisons covalentes. Ainsi le carbone en a quatre et l’hydrogène une. Les quatre liaisons du carbone viennent du fait que sa couche externe K(2) L(4) a besoin de quatre électrons pour être stable. De même pour l’hydrogène K(1) qui n’a besoin que d’un électron pour arriver à un niveau de stabilité. Ce sont les règles du duet et de l’octet.
Les molécules non-cycliques de la famille des alcanes ont pour formule brute CnH2n+2 où n est un entier naturel non nul. Le méthane est composé de quatre atomes d’hydrogène et un atome de carbone. Sa formule brute est CH4 (n = 1).
On trouve le méthane majoritairement sous forme de gaz et le plus souvent enfouis dans les sous-sols terrestre. Dans certain cas, le gaz méthane peut être enfermé dans une « cage » ou structure d’eau gelée (H2O) appelée clathrate. Ce nom un peu barbare vient du latin clatatrus qui veut dire encapsulé. Cette formation va donner l’hydrate de méthane.
En effet, la structure d’eau qui renferme le méthane est en dodécaèdre. C’est un solide de douze faces composé de vingt sommets. Ainsi, la clathrate d’eau est composée de vingt molécules d’eau (H2O).
La molécule d’eau (H2O) en trois dimensions, sa formule développée et sa formule brute
(tirée du site www.eteribeiraopires.com)
La molécule de méthane
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Un dodécaèdre, ce solide représente la forme de l’hydrate, la clathrate d’eau. Celle-ci va piéger le gaz méthane.
(tiré du site Google Images)
Un bloc d’hydrate de méthane auquel on a mis le feu.
(tiré du site Google Images)
H
H
H
H
C
Formule développée du méthane​
La molécule de méthane en trois dimensions avec le logiciel ChemSketch
Atome d'hydrogène
Atome de carbone
Atome d'oxygène
Atome d'Hydrogène
Les molécules d’eau de cette clathrate se lient grâce aux liaisons hydrogènes. Celles-ci assurent la stabilité au sein de la clathrate.
Les liaisons hydrogènes sont des interactions entre deux molécules et plus précisément entre un atome d’hydrogène H et un autre atome X. Cet atome X doit être plus électronégatif que l’atome d’hydrogène pour qu’il y ait ainsi une polarisation de la liaison H-X. L’électronégativité de l’hydrogène est 2.1 (échelle de Pauling), donc l’atome X doit avoir une électronégatif au moins supérieur à 2.5 pour que ce forme une liaison hydrogène. De plus, l’atome X doit être muni d’au moins un doublet non liant. Voici ci-dessous la représentation générale d’une liaison hydrogène.
Dans le cas de l’eau, c’est l’atome d’oxygène qui est le plus électronégatif (3.5), il porte deux doublet non liant, ce qui rend possible la liaison hydrogène.
​Schéma de la liaison hydrogène dans le cas de l’eau
La liaison hydrogène de l’eau est une liaison électrostatique entre l’hydrogène qui porte la charge δ+ et le doublet non liant de l’atome d’oxygène qui porte la charge δ-. L’énergie mise en place par cette liaison est très faible, elle est de l’ordre de 25 kJ mol-1, ce qui est dix fois plus faible que la liaison covalente qui, elle correspond à quelques centaines de kJ.mol-1.
Cette liaison hydrogène est très importante puisqu’elle unit les molécules d’eau entre-elles de sorte d’assurer une certaine cohésion de l’eau liquide ou de la glace dans le cas de l’eau.
Cette liaison est présente dans la clathrate d’eau qui emprisonne le gaz méthane.
Cette structure peut piéger d’énormes quantités de méthane. En effet, pour un volume de cette « cage » d’eau, celle-ci peut contenir jusqu’à cent soixante fois son volume en méthane. Par exemple, un centimètre cube d’hydrate peut englober jusqu’à cent soixante centimètres cubes de méthane. A température ambiante, cette glace va fondre et libérer le gaz qu’elle retient dans l’atmosphère.
Molécule de méthane CH4
Clathrate d’eau sous forme de glace H2O
L’hydrate de méthane ou clathrate de méthane
Du fait de sa structure, l’hydrate de méthane est communément appelé « glace qui fond ». En effet, visuellement, son aspect ressemble à un bloc de glace qui fond à l’air ambiant, c’est-à -dire lorsqu’on le sort de son lieu de formation et que la température est environ supérieur à dix degrés Celsius. Lors de cette fusion (transformation solide-liquide), l’eau gelée devient liquide et le méthane s’échappe sous forme de gaz.
On peut d’ailleurs facilement y mettre le feu puisque le méthane est un très bon combustible. Cette propriété de s’enflammer même sous forme de glace lui a donné le nom de « glace qui brûle ».
A droite, un bloc d’hydrate de méthane auquel on a mis le feu.
« C’est ce gaz qui est intéressant à exploiter.
Il représente une source d’énergie considérable. »
C’est le gaz qui se trouve dans la clathrate d’eau qui est intéressant à exploiter. Le méthane, un gaz inodore, est tout d’abord l’ingrédient principal du gaz naturel très utilisé par l’Homme : 75% CH4, 15% d’éthane (C2H6), et 5% d’autres hydrocarbures. Dans l’industrie chimique, c’est aussi l’élément principale pour la fabrication de certain produit comme le méthanol (CH3 OH), l’éthanol, l’ammoniac, le formaldéhyde (CH2 O), le nitrométhane (CH3 NO2), le chloroforme (CH3 Cl), le tétrachlorure de carbone (CCl4), …etc. Ainsi, par l’exemple, le méthanol, un alcool simple, est utilisé comme solvant, carburant, ou encore antigel. Le chloroforme, lui, est un bon solvant, anesthésiant et conservateur. Enfin, le nitrométhane est un liquide visqueux organique très utilisé dans la conception de produit pharmaceutique, pesticides, ou encore explosifs.
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On l’aura bien compris, le méthane est une source d’énergie colossale. C’est surtout lors de sa combustion que son utilisation devient intéressante, celle-ci est fortement exothermique. C’est-à -dire qu’elle dégage une importante source de chaleur. On peut voir ci-dessous l’équation de sa combustion avec le dioxygène sous forme de gaz :
L’énergie dégagée lors de cette combustion est de ΔH = –891 kJ, ce qui est considérable. A noter qu’il faut attendre une concentration précise de 5 % à 15 % dans l’air pour que le méthane puisse s’enflammer. Cette chaleur produite peut être utilisée pour le chauffage d’habitation et de bâtiments publics, commerciaux,…mais aussi pour la production d’électricité. D’ailleurs, l’utilisation du gaz naturel pour la production d’énergie électrique est beaucoup moins polluante qu’avec d’autres hydrocarbures comme le pétrole ou le mazout. Ce gaz naturel, principalement constitué de méthane, est également utilisé pour le transport routier, c’est-à -dire comme carburant pour les véhicules.