GIÁO TRÌNH HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG. potx

GIÁO TRÌNH HÓA HỌC MÔI
TRƯỜNG



7
1. MỞ ĐẦU
1.1. Một số khái niệm
1.1.1. Môi trường
Môi trường là tổng hợp những điều kiện bên ngoài có ảnh hưởng đến đời sống và sự
phát triển của mỗi sinh vật.
Đối với con người, môi trường sống là tổng hợp các điều kiện vật lý, hóa học, kinh tế
xã hội có ảnh hưởng đến sự sống và phát triển của từng cá nhân, của cộng đồng con người.
Môi trường sống của con người là cả vũ trụ, trong đó hệ Mặt trời và Trái đất có ảnh hưởng
trực tiếp và rõ rệt nhất.
Để đánh giá chất lượng môi trường, người ta thường đo đạc, phân tích và so sánh các
thông số chất lượng môi trường với các tiêu chuẩn về chất lượng môi trường do từng quốc gia
hay các tổ chức quốc tế đưa ra.
1.1.2. Hóa học môi trường
Hóa học môi trường là môn khoa học nghiên cứu các hiện tượng hóa học xảy ra trong
môi trường.
Nói cách khác, hóa học môi trường nghiên cứu các nguồn, các phản ứng, sự vận
chuyển, hiệu ứng và sự tồn tại của các chất hóa học trong không khí, nước, đất, và ảnh hưởng
của các hoạt động của con người đến các quá trình này.
Như vậy, hóa học môi trường là môn học đa ngành liên quan trực tiếp đến các ngành

hóa học, vật lý, sinh học, địa chất học, nông học, y học, Các kiến thức về hóa học môi
trường không những chỉ cần thiết cho các nhà hóa học, mà còn rất cần thiết cho cả những nhà
nghiên cứu môi trường, kỹ thuật và quản lý.
1.1.3. Ô nhiễm môi trường
Ô nhiễm môi trường là các thay đổi không mong muốn về tính chất vật lý, hóa học,
sinh học của không khí, nước hay đất có thể gây ảnh hưởng có hại cho sức khỏe, sự sống,
hoạt động của con người hay các sinh vật khác [12].
Một định nghĩa khác về ô nhiễm môi trường, được sử dụng khá phổ biến hiện nay cho
rằng, ô nhiễm môi trường là quá trình con người chuyển vào môi trường các chất hay dạng
năng lượng có khả năng gây hại cho sức khỏe của con người, sinh vật, hệ sinh thái, hủy hoại
cấu trúc, sự hài hòa, hoặc làm ảnh hưởng đến các tác dụng lợi ích vốn có của môi trường [13].
Theo Luật Bảo vệ môi trường Việt Nam, ô nhiễm môi trường là sự làm thay đổi tính
chất của môi trường, vi phạm tiêu chuẩn môi trường.
1.1.4. Chất gây ô nhiễm
Chất (gây) ô nhiễm là những chất không có trong tự nhiên, hoặc vốn có trong tự nhiên
nhưng nay có hàm lượng lớn hơn và gây tác động có hại cho môi trường thiên nhiên, cho con
người cũng như các sinh vật khác.
Chất gây ô nhiễm có thể có nguồn gốc tự nhiên (núi lửa, cháy rừng, bão lụt, ) hoặc
do các hoạt động của con người tạo ra (hoạt động sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải,
chiến tranh, sinh hoạt đô thị, ).
1.1.5. Đường đi của chất gây ô nhiễm (pollutant pathways)
Đường đi của chất gây ô nhiễm là cơ chế phát tán chất gây ô nhiễm từ nguồn phát
sinh đến các bộ phận của môi trường. Ví dụ: đường đi của chì trong xăng dầu động cơ vào
8
cơ thể người và gây độc hại:
Pb(C
2
H
5
)

4
(xăng, dầu động cơ)
änúg xaíkhê
    →
PbCl
2
+ PbBr
2
(khí quyển)
Người ← Thực phẩm ← PbCl
2
+ PbBr
2
(trong đất)
1.2. Cấu trúc và các thành phần môi trường của Trái đất
1.2.1. Cấu trúc của Trái đất
Có nhiều giả thiết giải thích nguồn gốc của hệ Mặt trời nói chung và Trái đất nói
riêng, song tất cả các giả thiết ấy đều chỉ dựa trên các hiểu biết rất ít ỏi hiện nay về hệ Mặt
trời, do đó còn gây nhiều tranh cãi. Những bằng chứng hiện có cho thấy rằng, Trái đất là một
hành tinh có lớp vỏ cứng xuất hiện cách đây khoảng 4,5 tỷ năm, nằm cách Mặt trời 150 triệu
km.
Cấu trúc chính của Trái đất (Hình 1.1) rất ít thay đổi trong 4 tỷ năm gần đây.
Hình 1.1. Cấu trúc của Trái đất [16]
Phần vỏ mỏng bên ngoài của Trái đất, chỉ chiếm 1% khối lượng của Trái đất, nhưng
lại đóng vai trò rất quan trọng đối với sự sống và phát triển của loài người.
Bề mặt Trái đất không đều, khoảng 70% bị bao phủ bởi nước với độ sâu trung bình
khoảng 4 km (0 − 11 km). Phần còn lại là khối đất với độ cao trung bình 0,84 km (0 − 8,8 km)
trên mặt nước biển. Hai phần ba của khối đất này thuộc phần Bắc bán cầu.
Lớp phủ
Trong

Nhân
0
−
40
1000
2900
5100
6370
Vỏ
Vỏ lục địa
Đại dương
Vỏ đại dương
Lớp phủ trên
Vùng chuyển tiếp
Lớp phủ dưới
0
4
10
60
400
1000
Bề dày (Km)
Ngoài
Lớp phủ
Trong
Nhân
0
−
40
1000

2900
5100
6370
Vỏ
Vỏ lục địa
Đại dương
Vỏ đại dương
Lớp phủ trên
Vùng chuyển tiếp
Lớp phủ dưới
0
4
10
60
400
1000
Bề dày (Km)
Ngoài
9
Khối đất chính là lục địa được xác định giới hạn không phải bằng bờ biển, mà bằng
mép phần phẳng của đáy đại dương (có thể ở xa bờ), vì vậy lục địa bao gồm cả phần thềm
lục địa. Theo cách xác định này thì trong nhiều trường hợp, các đảo ngoài khơi vẫn có thể là
một bộ phận của khối đất lục địa gần chúng. Cách xác định phần lục địa này hoàn toàn phù
hợp với thực tế về sự khác nhau của thành phần đá lớp vỏ lục địa và đá lớp vỏ đáy đại
dương.
Bảng 1.1. Các nguyên tố chính trong các phần cấu trúc của Trái đất [16]
Phần cấu trúc của Trái đất
Các nguyên tố chính (theo thứ tự nồng độ giảm dần)
Khí quyển
N, O

Đại dương
O, H (Cl, Na, Mg, S)
Đá trầm tích
O, Si, Al, Fe, Ca, K, Mg, C, Na
Đá granit từ nham thạch
O, Si, Al, K, Na, Ca, Fe, Mg
Đá bazan từ nham thạch
O, Si, Al, Fe, Ca, Mg
Lớp phủ
O, Si, Mg, Fe
Hình 1.2. Mặt cắt ngang của bề mặt Trái đất [16]
Phần đọc thêm: Sự chuyển dịch của các mảng lục địa
Giả thuyết về hoạt động kiến tạo cho rằng lớp vỏ cứng của Trái đất được tạo nên
bởi 15 mảng lục địa có kích thước khác nhau lắp ghép lại, trong đó có 9 mảng chính.
Có mảng chỉ chứa toàn đại dương hoặc chỉ chứa phần lục địa, nhưng đa số các mảng
lục địa vừa chứa phần đại duơng, vừa chứa phần lục địa.
Dưới tác động của các dòng chuyển dịch bên trong lòng Trái đất, các mảng lục
địa luôn trôi dạt trên lớp quyển mềm (asthenosphere). Có 3 kiểu chuyển dịch tương
40 60
80
100
200
Núi (8,8 km)
Đất thấp (trung bình 0,84 km)
Thềm lục địa
Đại dương (sâu trung bình 4 km)
Vực (11 km)
Đá trầm tích
Khí quyển
Đá granit từ

nham thạch
Đá bazan từ
nham thạch
Lớp phủ
% bề mặt Trái đất bị chiếm
Tầng bình lưu (35 km)
bao gồm tầng ozon (15 km)
Tầng đối lưu (15 km)
40 60
80
100
200 40 60
80
100
200
Núi (8,8 km)
Đất thấp (trung bình 0,84 km)
Thềm lục địa
Đại dương (sâu trung bình 4 km)
Vực (11 km)
Đá trầm tích
Khí quyển
Đá granit từ
nham thạch
Đá bazan từ
nham thạch
Lớp phủ
% bề mặt Trái đất bị chiếm
Tầng bình lưu (35 km)
bao gồm tầng ozon (15 km)

Tầng đối lưu (15 km)
10
đối giữa các mảng lục địa liền nhau.
Kiểu chuyển dịch phân kỳ làm cho các mảng lục địa tách xa nhau tạo nên các khe
hở để dung nham từ lòng đất trào ra ngoài, khô đặc lại tạo thành các ngọn núi lửa
trên đất liền hay các dãy núi ngầm dưới đáy đại dương. Chuyển dịch phân kỳ thường
xảy ra ở phần đại dương hơn trên lục địa.
Hình 1.3. Các mảng lục địa chính [7]
Hình 1.4. Sự dịch chuyển của các mảng lục địa [16]
Kiểu chuyển dịch hội tụ làm các mảng lục địa xô đập hay trườn, trượt, đè chồng
lên nhau. Khi một mảng lục địa là lục địa còn mảng kia là đại dương thì mảng đại
Tái nóng chảy
Vùng lún
xuống
Hoạt động núi lửa
Phần vỏ ở
đại dương
Phần vỏ ở
đại dương
Phần vỏ ở lục địa
LỚP PHỦ
Dãy núi ngầm
ở đại dương
Mảng lục địa 1 Mảng lục địa 2 Mảng lục địa 3
Đường biên có
sự dịch chuyển hội tụ
Đường biên có
sự dịch chuyển phân kỳ
Tạo núi
Tái nóng chảy

Vùng lún
xuống
Hoạt động núi lửa
Phần vỏ ở
đại dương
Phần vỏ ở
đại dương
Phần vỏ ở lục địa
LỚP PHỦ
Dãy núi ngầm
ở đại dương
Mảng lục địa 1 Mảng lục địa 2 Mảng lục địa 3
Đường biên có
sự dịch chuyển hội tụ
Đường biên có
sự dịch chuyển phân kỳ
Tạo núi
11
dương sẽ trượt và lún xuống bên dưới mảng lục địa. Phần lún xuống bị nóng chảy,
các thành phần vật liệu nóng chảy có khối lượng riêng nhỏ sẽ di chuyển đi lên tạo ra
núi, các vật liệu nặng hơn sẽ chìm xuống vào lớp phủ. Khi hai mảng lục địa dịch
chuyển hội tụ đều là lục địa sẽ dẫn đến hiện tượng dồn ép các lớp đất đá lên thành
các dãy núi cao (dãy Himalayas, Anpes). Khi một phần của mảng lục địa đại dương
trượt và lún sâu xuống bên dưới mảng lục địa, thì một phần mảng lục địa mới được
hình thành từ đại dương thay thế các phần mảng lục địa đã bị mất đi.
Kiểu chuyển dịch trượt của hai mảng lục địa có thể tạo ra các vết nứt gãy trên
mặt đất hay đại dương (ví dụ: vết nứt San Andreas chạy từ thành phố San Francisco
cắt ngang bang California (Mỹ) đến tận biên giới Mexico).
1.2.2. Thành phần môi trường của Trái đất
Khi nghiên cứu, người ta thường chia môi trường của Trái đất thành 4 thành phần chính:

khí quyển, thủy quyển, địa quyển và sinh quyển. Ngoài 4 thành phần chính này, các nhà khoa
học còn đưa ra khái niệm mới về trí quyển – một thành phần của môi trường Trái đất.
− Khí quyển: là lớp khí bao phủ xung quanh bề mặt Trái đất, nuôi dưỡng sự sống trên
mặt đất và bảo vệ chúng trước các tác động có hại từ khoảng không vũ trụ.
Khí quyển hấp thụ hầu hết các tia vũ trụ và một phần đáng kể bức xạ điện từ của Mặt
trời chiếu xuống Trái đất.
Khí quyển chỉ cho các bức xạ có bước sóng trong khoảng 320 đến 2500 nm đi qua và
ngăn chặn phần bức xạ tử ngoại có bước sóng nhỏ hơn 320 nm, là phần bức xạ gây hủy hoại
da.
Khí quyển đóng một vai trò quan trọng trong quá trình cân bằng nhiệt của Trái đất,
thông qua khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại của ánh sáng Mặt trời và phần tái bức xạ từ
Trái đất.
Thành phần chính của khí quyển là nitơ và oxy, ngoài ra còn có argon, cacbonic và
nhiều chất khí khác có nồng độ nhỏ hơn rất nhiều.
Bảng 1.2. 10 nguyên tố hóa học trong vũ trụ, Trái đất, vỏ Trái đất, đại dương, khí quyển
(không khí khô) và sinh quyển (% khối lượng) [16]
Vũ trụ Trái đất Vỏ Trái đất Đại dương Khí quyển Sinh quyển
H : 77 Fe : 35 O : 46,6 O : 85,8 N : 75,5 O : 53
He : 21 O : 29 Si : 29,5 H : 11 O : 23,2 C : 39
O : 0,8 Si : 14 Al : 8,2 Cl : 1,94 Ar : 1,3 H : 6,6
C : 0,3 Mg : 14 Fe : 5,0 Na : 1,05
C : 9,3 × 10
−
3
N : 0,5
Ne : 0,2 S : 2,9 Ca : 3,6 Mg : 0,13
Ne : 1,3 × 10
−
3
Ca : 0,4

Fe : 0,1 Ni : 2,4 Na : 2,8 S : 0,09
Kr : 0,45 × 10
−
3
K : 0,2
Si : 0,07 Ca : 2,1 K : 2,6 Ca : 0,048
He : 72 × 10
−
6
Si : 0,1
N : 0,06 Al : 1,8 Mg : 2,1 K : 0,039
Xe : 40 × 10
−
6
P : 0,1
Mg : 0,06 Na : 0,3 Ti : 0,57 Br : 0,007
H : 23 × 10
−
6
Mg : 0,1
S : 0,04 P : 0,2 H : 0,22 C : 0,003
S : 70 × 10
−
9
S : 0,07
− Thủy quyển: bao gồm tất cả các nguồn nước: đại dương, biển, sông, suối, hồ, băng ở
các cực, nước ngầm,
Khoảng 97% lượng nước của thủy quyển là nước ở các đại dương. Lượng nước ngọt
12
con người có thể sử dụng được (nước sông, hồ, suối và nước ngầm) chỉ chiếm chưa đến 1%

lượng nước của thủy quyển.
Nước được con người sử dụng vào các mục đích chính sau: nông nghiệp (30%), nhà
máy nhiệt điện (50%), công nghiệp (12%), sinh hoạt (7%).
Nước (bề) mặt ngày càng bị ô nhiễm do thuốc trừ sâu, phân bón trong nước chảy tràn từ
đồng ruộng, do các chất thải khác của con người, động vật và sản xuất công nghiệp. Các bệnh
lây qua đường nước từ nước thải đô thị đã làm chết hàng triệu người ở các nước đang phát triển.
− Địa quyển (thạch quyển): là phần vỏ Trái đất từ mặt đất đến độ sâu khoảng 100 km,
bao gồm các khoáng chất trong lớp phong hóa và đất (đất là hỗn hợp phức tạp bao gồm các
chất khoáng, chất hữu cơ, không khí và nước).
− Sinh quyển: là một phần của Trái đất và khí quyển có tồn tại sự sống. Giữa sinh
quyển và môi trường có sự tác động qua lại lẫn nhau. Sinh quyển cũng có mối quan hệ chặt
chẽ với dòng năng lượng trong môi trường và hóa học môi trường nước.
− Trí quyển (noosphere): là khái niệm để chỉ các dạng thông tin biểu hiện rất phức tạp
trong sinh quyển mà trong đó phát triển cao nhất là trí tuệ con người. Trí quyển đang thay đổi
nhanh chóng và phạm vi tác động của nó ngày càng mở rộng kể cả ở ngoài phạm vi Trái đất.
1.3. Quá trình phát triển của sự sống trên Trái đất
Cũng như lịch sử phát triển của Trái đất, quá trình phát triển của sự sống trên Trái đất
được giải thích dựa vào các giả thiết. Những giả thiết này được xây dựng dựa trên việc nghiên
cứu các hóa thạch tìm được.
Các hóa thạch cổ nhất đã tìm thấy được có tuổi trên 3 tỷ năm. Các hóa thạch này có
dạng tương tự vi khuẩn và tảo ngày nay, tức là các sinh vật đơn bào. Các tế bào này chưa có
nhân phát triển hoàn chỉnh và được đặt tên là prokaryotes (sinh vật nhân sơ) . Quá trình tạo
thành các prokaryotes cho đến nay vẫn còn là điều bí ẩn.
Quá trình phát triển của sự sống được xem là một quá trình tiến triển dần dần từ các
phân tử vô cơ đơn giản đến các sinh vật đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp hiện nay. Tất cả
các dạng sống đều được tạo thành từ các hợp chất hữu cơ. Các hợp chất này có thể đã được
tạo thành trong tự nhiên từ các phân tử đơn giản như, H
2
O, NH
3

, CO
2
, CO, CH
4
, H
2
S, H
2
. Các
phân tử đơn giản này có thể đã tồn tại trong khí quyển, đại dương của Trái đất lúc sơ khai.
Người ta suy đoán rằng, từ nhiều loại phân tử hữu cơ được tạo thành, các hệ vô sinh
(non-living systems) được hình thành, tiến hóa thành các sinh vật tự sinh tồn và sinh sản, sau
cùng phát triển thành các dạng sống phong phú ngày nay.
Các sinh vật đầu tiên phụ thuộc vào các nguồn cung cấp các phân tử hữu cơ được tổng
hợp từ bên ngoài, và do đó chúng được gọi là sinh vật dị dưỡng.
Các sinh vật tự dưỡng có khả năng tổng hợp nên các phân tử hữu cơ cần thiết từ các phân
tử vô cơ đơn giản. Vì các phân tử vô cơ đơn giản có sẵn rất nhiều trong khí quyển và đại dương so
với các phân tử hữu cơ, nên các sinh vật tự dưỡng phát triển mạnh hơn các sinh vật dị dưỡng.
Cả hai loại sinh vật prokaryotes có thể đã thu năng lượng từ các phản ứng lên men như
sau:
C
6
H
12
O
6
→ 2C
3
H
4

O
3
+ 4H
glucoz axit pyruvic (kết hợp với các nhóm khác)
Phản ứng lên men không phải là nguồn cung cấp năng lượng tốt. Khả năng dùng phần
phổ khả kiến của bức xạ Mặt trời làm nguồn năng lượng chuyển hóa CO
2
thành các phân tử
hữu cơ, đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của loại vi khuẩn quang hợp. Các phân tử
như H
2
S, hay các phân tử hữu cơ đơn giản, có thể đóng vai trò là tác nhân cho hydro:
13
nCO
2
+ 2nH
2
A
anï h saïng
    →
(CH
2
O)
n
+ nH
2
O + 2nA
Tác nhân cho hydro Cacbohydrat
Từ đó, tảo lam sử dụng nước của đại dương, như một tác nhân cho hydro, để phát triển
và tạo ra sản phẩm phụ là oxy:

nCO
2
+ nH
2
O
anï h saïng
    →
(CH
2
O)
n
+ nO
2
Tác nhân cho hydro Cacbohydrat
Oxy tạo thành từ quá trình quang hợp đã làm thay đổi bề mặt Trái đất, đồng thời tiêu
diệt các sinh vật không thích ứng với loại khí hoạt động hóa học mạnh này.
Khi oxy tích tụ nhiều trong khí quyển, tầng ozon dần hình thành ở tầng bình lưu (cách
mặt đất 15 − 40 km), hấp thụ tia tử ngoại có hại. Lúc này, các sinh vật đã có thể phát triển
thành quần thể trong vùng tiếp giáp của khí quyển / nước / đất và nhu cầu phải sinh sống dưới
nước để tránh tác hại của tia tử ngoại không còn là điều bắt buộc nữa. Các sinh vật bắt đầu
chuyển lên sống trên cạn. Sự có mặt của oxy tạo điều kiện cho những biến đổi thích hợp
của tế bào, nhằm có thể sử dụng phản ứng hô hấp cung cấp năng lượng cho sự phát
triển. Nguồn năng lượng thu từ phản ứng hô hấp lớn hơn năng lượng thu từ phản ứng
lên men đến 18 lần.
(CH
2
O)
n
+ nO
2

→ nCO
2
+ nH
2
O
Cacbohydrat
Các tổ chức bên trong tế bào lúc này chịu những thay đổi mạnh mẽ và phát triển. Xuất
hiện nhân tế bào có màn bọc, chứa các axit nucleic mang thông tin gen của tế bào, ngoài ra
còn có một loạt các biến đổi khác biệt về đặc điểm cấu trúc.
Các tế bào mới này được gọi là các eukaryotes (sinh vật nhân thực), chứa nhân xác
định. Các eukaryotes đơn bào tự dưỡng tiến hóa thành thực vật đa bào, có khả năng quang
hợp để sản xuất các chất hữu cơ và oxy. Sự phát triển về số lượng các sinh vật có khả năng
quang hợp và hô hấp tốt tạo thành tập hợp dị dưỡng. Các eukaryotes dị dưỡng tiến hóa thành
cá, côn trùng và động vật ngày nay.
Hình 1.5. Hai dạng tế bào Prokaryote và Eukaryote[17]
Quá trình phát triển sự sống, như vừa nêu sơ lược ở trên làm cho hàm lượng oxy trong
khí quyển tăng cao và trở thành loại khí chủ yếu của khí quyển, đồng thời làm giảm đáng kể
14
hàm lượng các khí có lúc đầu trong khí quyển sơ khai (N
2
, CO
2
, H
2
, CO, CH
4
).
1.4. Chu trình địa hóa
Các số liệu trong Bảng 1.2 chỉ cho thấy sự phân bố các nguyên tố trong các thành
phần của môi trường mà không cho thấy sự di chuyển (vận động) của các nguyên tố đó từ bộ

phận này sang bộ phận khác, ví dụ: sông vận chuyển các chất tan và chất rắn lơ lửng từ đất
liền ra đại dương; sự di chuyển của các mảng lục địa vỏ Trái đất tạo ra sự dâng lên (uplift) của
đá trầm tích đại dương và các khối đất mới; thực vật tạo thêm oxy cho khí quyển thông qua
quá trình quang hợp, đồng thời lấy oxy từ không khí trong quá trình hô hấp.
Sự di chuyển của một nguyên tố hóa học giữa đất, đại dương, không khí có thể được
biểu diễn bởi chu trình gọi là chu trình địa hóa. Mỗi chu trình địa hóa là một mô hình, mô tả
sự di chuyển của một nguyên tố hóa học (hay một chất), thông thường là xảy ra gần bề mặt
Trái đất.
Trong một chu trình địa hóa có một số nơi chứa (reservoirs), được xác định rõ về mặt
vật lý (như lục địa, đất, đại dương, khí quyển, ) và các đường di chuyển (transport paths)
của vật chất từ nơi chứa này đến nơi chứa khác. Số lượng nơi chứa trong một chu trình địa
hóa phụ thuộc vào mức độ chi tiết của việc nghiên cứu hệ.
Dòng vật chất di chuyển giữa các nơi chứa thường được xác định trong một khoảng
thời gian cố định, thường là một năm.

1. Ngưng tụ (mưa, tuyết) 5. Sự phát khí (Gas evolution)
2. Bụi 6. Các chất tan và lơ lửng (trong nước sông)
3. Hạt bọt nước biển (sea spray) 7. Sa lắng
4. Sự tách khí (Degassing) 8. Sự dâng lên
ĐẤT
KHÔNG KHÍ
ĐẠI DƯƠNG
TRẦM TÍCH
2
1
5
3
3
2
6

1
3
2
4
8
7
nơi chứa
đường di chuyển
15
Hình 1.6. Mô hình tổng quát của chu trình địa hóa [16]
Nếu lượng nguyên tố (hay chất) được chuyển vào và chuyển ra khỏi nơi chứa bằng
nhau thì nồng độ của nó trong nơi chứa đó sẽ không đổi, lúc đó trạng thái dừng (steady state)
được thiết lập. Về cơ bản, nếu không bị ảnh hưởng bởi hoạt động của con người hầu hết các
chu trình tự nhiên đều ở trạng thái dừng . Kết luận này được rút ra từ thực tế là không có sự
thay đổi lớn nào của môi trường hóa học toàn cầu đã xảy ra trong vài trăm triệu năm trước
đây.
Nếu hệ đang ở trạng thái dừng, ta có thể xác định thời gian lưu (residence times) của
một chất xác định trong nơi chứa xác định dựa vào công thức:
=
læåüng nguyãn täú chátú trong nåi chæïa
t
täcú âäüâi vaoì hay ra nåi chæïa cuía nguyãn täú chátú
( )
( ) ( )
Ví dụ, nếu lượng natri tan trong đại dương là 15×10
18
kg, lượng thêm vào hằng năm là
100×10
9
kg, thì thời gian lưu của natri trong đại dương sẽ là 150 triệu năm (thực ra, natri có

thời gian lưu trong đại dương là 210 triệu năm). Hầu hết các nguyên tố có thời gian lưu trong
đại dương khoảng vài triệu năm, hoặc ít hơn. Thời gian lưu trong vỏ Trái đất thường cao hơn
nhiều thời gian lưu trong không khí, điều đó phản ảnh tính lưu động của các hệ.
Người ta cho rằng, các tác động của con người lên các chu trình địa hóa đã làm tăng
tốc độ chuyển chất rắn từ lục địa ra đại dương, do chặt phá rừng, hoạt động canh tác, làm tăng
xói mòn. Nghiên cứu cho thấy, tốc độ xói mòn ngày nay cao gấp đôi cách đây 5000 năm. Rất
khó đánh giá được ảnh hưởng của các hoạt động nhân tạo lên các chu trình, do chúng ta
không biết chắc giá trị nền nồng độ của các chất cũng như dòng di chuyển vật chất trong các
chu trình đã nêu.
Mặc dù, hiểu biết về các chu trình địa hóa toàn cầu là rất quan trọng, song chúng ta
cũng cần quan tâm đến cả những gì đang xảy ra ở quy mô nhỏ hơn. Một quá trình chung trên
toàn cầu có thể che lấp mất các biến đổi bất thường tại một khu vực nhỏ. Sự rò rỉ cadmi từ
vùng khai khoáng có thể gây chết cá ở phía hạ lưu, đó là một sự cố rất quan trọng trên phạm
vi khu vực địa phương, nhưng dòng di chuyển của cadmi này sẽ không đáng kể gì khi so với
dòng di chuyển tổng cộng toàn cầu. Vì vậy, ngoài các chu trình địa hóa, chúng ta vẫn rất cần
các mô hình để minh họa và dự đoán các biến đổi môi trường khu vực.