Les hydrates de méthane

ACTIVITE DOCUMENTAIRE : LES HYDRATES DE METHANE Document 1 - L'hydrate de méthane ou « la glace qui brûle » : une nouvelle
énergie propre ?
Le nombre de gisements pétroliers identifiés à ce jour représente environ
la moitié du nombre de réserves de « glace qui brûle » disponibles sur
Terre. L'hydrate de méthane ou la glace qui brûle pourrait donc couvrir nos
besoins en énergie pour de nombreux siècles encore. Contrairement aux
hydrocarbures traditionnels, l'hydrate de méthane est une énergie propre.
L'appellation de « glace qui brûle » provient du fait que l'hydrate de
méthane soit une étrange glace inflammable à base d'eau glacée et de gaz
naturel, le méthane. Les recherches sur cette nouvelle énergie fossile
propre s'intensifient car d'une part, elle est plus intéressante que le
pétrole et d'autre part, elle est abondante, surtout dans les régions
polaires et les fonds océaniques.
Les grands consommateurs d'énergie, notamment les Etats-Unis, la Corée, le
Canada et le Japon, envisagent d'exploiter l'hydrate de méthane comme
énergie. Étant donné que le méthane dégage du CO2, même à volume moins
important, des scientifiques américains sont actuellement en train de
travailler sur la possibilité de transformation du CO2 en énergie fossile
plus écologique.
Utiliser l'hydrate de méthane comme source d'énergie est aussi très
avantageux car tous les continents en seraient pourvus. Rien qu'en Europe,
trois réserves sont déjà identifiées : dans le Golfe de Cadix, en Mer Noire
et en mer de Norvège. Bien que l'extraction de l'hydrate de méthane soit
encore difficile, les chiffres sont très encourageants : d'après Total, un
mètre cube de « glace qui brûle » renfermerait jusqu'à 160 m3 de méthane.
Source : http://www.vivez-nature.com/agriculture-biologique/hydrate-methane-
glace-qui-brule.html
Document 2 - Les hydrates de méthane [pic]
a - Aspect au sein des sédiments
b - De la glace qui brûle...
Source : http://www.fermedesetoiles.com/supports/petites-histoires-et-
grandes-theories-une-nouvelle-vision-de-la-terre.pdf
Document 3 - Structure d'un hydrate de méthane
Plusieurs types de structures moléculaires ont été identifiées : les
structures I, II ou H. Dans la structure I, la plus courante dans la
nature, la maille élémentaire est composée de 46 molécules d'eau et peut
contenir jusqu'à 8 molécules de méthane.
[pic] Exemple de structure d'un hydrate de méthane (CH4) de type I Source :
http://culturesciences.chimie.ens.fr/nodeimages/images/Chimie_Mer_Chap3Parti
e2.pdf Document 4 - Origine et stabilité des hydrates de méthane
Une importante quantité de matière organique qui se dépose sur les fonds
océaniques est incorporée dans les sédiments. Sous l'action des bactéries
anaérobies, ces matières organiques se transforment en méthane dans les
premières centaines de mètres de la pile sédimentaire. Un volume très
important de méthane est ainsi produit. Une partie de ce méthane se combine
aux molécules d'eau pour former l'hydrate de méthane, dans une fourchette
bien définie de température et de pression (partie droite du schéma ci-
dessous). [...]
[pic]
Dans la zone en gris, eau et méthane se combinent pour former un hydrate à
l'état de glace, alors qu'à l'extérieur de cette zone, les deux composés
sont séparés et se trouvent sous leur propre état, liquide et gaz. C'est
dire que l'hydrate de méthane est stable sous les conditions de température
et de pression exprimées par la zone en gris, et instable sous les
conditions à l'extérieur de cette zone. [...]
Source :
http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/intro.pt/planete_terre.html
Questions :
1. Ecrire la formule développée du méthane puis celle de l'eau. 2. Quel type de liaisons s'établit entre les molécules d'eau ? Entre les
molécules d'eau et de méthane ? Justifier les réponses. 3.1. A partir du document 3, évaluer le nombre moyen de molécules d'eau
associées à une molécule de méthane dans un hydrate de méthane.
3.2. A l'aide du document 1, calculer la quantité de matière de méthane
contenu dans 1,0 m3 d'hydrates de méthane.
3.3. Calculer la quantité de matière d'eau contenue dans 1,0 m3 d'eau
glacée.
3.4. En déduire le nombre de moles d'eau entourant une mole de méthane dans
un hydrate de méthane.
3.5. Justifier de trois façons la différence entre les deux résultats. 4. Quelles sont les grandeurs physiques qui conditionnent la stabilité des
hydrates de gaz ? 5.1. Un hydrate de méthane qui se trouve dans les sédiments océaniques par
600 mètres de fond à 7°C est stable (en pointillés sur le document 4). Que
se passe-t-il si la température augmente de 1°C ?
5.2. Qu'en déduire dans le cas d'un hypothétique réchauffement climatique ?
6.1. Si la température d'un hydrate de méthane augmente, comment doit
évoluer la pression pour que cet hydrate de méthane reste stable ? S'aider
du schéma du document 4 pour répondre à la question.
6.2. Pourquoi un échantillon d'hydrate de gaz se trouvant dans les
sédiments océaniques à une profondeur de 400 m et ramené directement à la
surface s'enflamme-t-il au contact d'une allumette comme le montre la photo
du document 2 ? Ecrire l'équation de la réaction qui se produit. 7. Bilan : La « glace qui brûle » est-elle une énorme réserve énergétique
pour l'avenir ou un danger redoutable pour le climat ? Donnez votre avis en
quelques lignes argumentées. Données :
Densité de la glace: d ~ 1.
Masses molaires atomiques : M(H) = 1 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1.
Pour un gaz : n = V/Vm avec n : quantité de matière contenue dans un
échantillon gazeux (en mol), V son volume (en L) et Vm le volume molaire
(en L.mol-1). A 20°C et à 105 Pa, le volume molaire Vm est égal à 25 L.mol-
1.
Le pouvoir de gaz à effet de serre du méthane est 25 fois supérieur à celui
du dioxyde de carbone.