PHẦN II: CƠ SỞ MÔI TRƯỜNG NƯỚC pptx

PH N II: C S MÔI TR NG N CẦ Ơ Ở ƯỜ ƯỚ 4
CH NG VI. I C NG V N C T NHIÊNƯƠ ĐẠ ƯƠ Ề ƯỚ Ự 4
6.1. S hình th nh n c, vai trò v s phân b c a n c trong t nhiên.ự à ướ à ự ố ủ ướ ự 4
6.1.1. S hình th nh n c trên trái t [1, 2, 3, 4]ự à ướ đấ 4
6.1.2. Tác ng v vai trò c a n c i v i môi tr ng [5, 6, 7, 8, 9] độ à ủ ướ đố ớ ườ 4
6.1.3. L ng n c, s phân b v tiêu th n c trên trái t [5, 6]ượ ướ ự ố à ụ ướ đấ 7
6.2. S tu n ho n c a n cự ầ à ủ ướ 233
6.2.1. Chu trình c a n củ ướ 233
6.2.2. Th i gian l u c a n cờ ư ủ ướ 234
6.3. Phân lo i n c t nhiên.ạ ướ ự 235
6.3.1.Phân lo i theo s phân b : ạ ự ố 235
6.3.2. Phân lo i theo nhi t (ch y u áp d ng i v i n c khoáng):ạ ệ độ ủ ế ụ đố ớ ướ 235
6.3.3. Phân lo i theo pH: ạ 235
6.3.4. Phân lo i theo c ng ( H-me/l):ạ độ ứ 236
6.3.5. Phân lo i theo khoáng hoá: ạ độ 236
6.3.6. Phân lo i theo th nh ph n hoá h c ạ à ầ ọ 236
CH NG VII. C TR NG C A N CƯƠ ĐẶ Ư Ủ ƯỚ 238
7.1. C u t o c a phân t n c v liên k t hydro [2, 3, 4, 16, 18]ấ ạ ủ ử ướ à ế 238
7.I.1. C u t o c a phân t n cấ ạ ủ ử ướ 238
7.I.2. Liên k t hydroế 239
7.2. C u trúc c a n c [2, 3, 16, 17] ấ ủ ướ 241
7.2.1. Quan ni m v c u t o c a phân t n cệ ề ấ ạ ủ ử ướ 241
Hình 7.1. Một mảnh nhỏ cấu trúc của nước 241
7.2.2. Ba tr ng thái c a n cạ ủ ướ 241
TT 244
7.3. Tính ch t v t lý c a n c [1, 2, 3, 5, 16, 19]ấ ậ ủ ướ 245
7.3.1. T tr ng v th tích c a n cỷ ọ à ể ủ ướ 245
7.3.2. Các tính ch t nhi t ấ ệ 247
7.3.3. nh tĐộ ớ 248
7.3.4. S c c ng b m tứ ă ề ặ 250
7.3.5. áp su t th m th uấ ẩ ấ 251

7.3.6. Tính ch t i n c a n cấ đ ệ ủ ướ 251
7.3.7. Tính ch t quang h c c a n c. ấ ọ ủ ướ 253
7.4. Tính ch t hoá h c c a n c [2, 4, 7, 8, 21, 22]ấ ọ ủ ướ 254
7.4.1. Tính ch t dung môi c a n c ấ ủ ướ 254
7.4.2. Cân b ng hóa h c c a n cằ ọ ủ ướ 259
7.4.3. Ph n ng oxy hoá-kh c a n cả ứ ử ủ ướ 263
7.5. Tính ch t sinh h c c a n c (n c l 1 h sinh thái) [1, 5, 6, 10, 12, 24, ấ ọ ủ ướ ướ à ệ
25] 264
7.5.1. N c v s trao i ch tướ à ự đổ ấ 264
7.5.2. N c, môi tr ng s ng c a vi sinh v tướ ườ ố ủ ậ 266
7.5.3. Các ch t dinh d ng trong n cấ ưỡ ướ 267
7.5.4 . Vi sinh v t - xúc tác c a các ph n ng hoá h c trong n cậ ủ ả ứ ọ ướ 269
7.5.5. T m quan tr ng c a n c i v i h sinh tháiầ ọ ủ ướ đố ớ ệ 270
1
CH NG VIII. CÁC LO I N C T NHIÊNƯƠ Ạ ƯỚ Ự 276
8.1. N c m a [2, 4, 19, 21, 23]ướ ư 276
8.2. N c bi n [2, 4, 6, 8, 15, 20, 23]ướ ể 278
8.2.1. c i m th nh ph n hoá h cĐặ đ ể à ầ ọ 278
8.2.2. mu i, clo v m i t ng quan c a các ion chínhĐộ ố độ à ố ươ ủ 280
8.2.3. Giá tr pH c a n c bi n ị ủ ướ ể 283
8.2.4. Các tính ch t v t lý khácấ ậ 284
8.3. N c b m t [1, 5, 8, 10, 11, 14, 15]ướ ề ặ 284
8.3.1. N c tùướ 286
8.3.2. N c ngướ độ 289
8.3.3. N c c a sôngướ ử 295
8.4. N c ng m [8, 10, 11, 19, 23, 26]ướ ầ 296
8.4.1. Ngu n n c ng mồ ướ ầ 296
8.4.2. c tính chungĐặ 297
8.4.3. Tính ch t c a n c ng mấ ủ ướ ầ 299
8.5. M t s c tr ng chính c a n c t nhiênộ ố đặ ư ủ ướ ự 301

8.5.1. Nhi t n cệ độ ướ 301
8.5.2. Ion hydro 301
8.5.3. Các h p ch t tan trong n c ợ ấ ướ 301
8.5.4. Các khí 302
8.5.5. Các ch t l l ng ấ ơ ử 303
8.5.6. Qu n xã sinh v tầ ậ 303
8.5.7. Tr ng thái v t lý c a n c t nhiên ạ ậ ủ ướ ự 304
8.5.8. S t o ph c trong n c t nhiên v n c th i [7, 8, 10]ự ạ ứ ướ ự à ướ ả 304
CH NG IX - Ô NHI M, QUÁ TRÌNH T LÀM S CH VÀ ƯƠ Ễ Ự Ạ 306
X LÝ N C T NHIÊNỬ ƯỚ Ự 306
9.1. M t s v n chung v ô nhi m n cộ ố ấ đề ề ễ ướ 306
9.1.1 Khái ni m ô nhi m môi tr ng n c−ệ ễ ờ ướ 306
9.1.2. Các lo i n c b ô nhi m ạ ướ ị ễ 307
Các thông số hoá học là các giá trị pH, DO, BOD, COD, các muối dinh dưỡng, các
kim loại nặng, các khí hoà tan v v 307
- Lưu huỳnh (S) dưới dạng SO42- có thể đáp ứng nhu cầu cuả thực vật. SH2 là chất
độc đối với cá và một số thủy sinh động vật. 308
- Ô nhiễm hoá học do chất vô cơ 308
- Ô nhiễm do các chất hữu cơ tổng hợp 308
c) Ô nhiễm sinh học của nước 309
9.1.3. Các thông s môi tr ng chính xác nh n c b ô nhi m ố ườ đị ướ ị ễ 310
9.2. Quá trình t l m s ch ngu n n cự à ạ ồ ướ 315
9.2.1 M t s v n chung v quá trình t l m s ch ộ ố ấ đề ề ự à ạ 315
9.2.2. Quá trình t l m s ch ngu n n c m tự à ạ ồ ướ ặ 316
(9.1) 61
9.2.3. Quá trình t l m s ch n c ng mự à ạ ướ ầ 70
9.3. M t s ph ng pháp x lý n c t nhiênộ ố ươ ử ướ ự 71
9.3.1. Ph ng pháp l m m m n cươ à ề ướ 71
2
9.3.2. Ph ng pháp x lý s tươ ử ắ 72

9.3.4.Công ngh x lý amoni trong nệ ử ư c ng mớ ầ 78
9.3.5. Ph ng pháp kh trùngươ ử 80
9.3.6. Lo i mu i trong n cạ ố ướ 83
9.3.7. Các ph ng pháp khác x lý ngu n n c c pươ ử ồ ướ ấ 85
9.3.8. Ph ng pháp kh mùi trong n cươ ử ướ 85
CH NG X. QU N LÝ VÀ KI M SOÁT CH T L NG N CƯƠ Ả Ể Ấ ƯỢ ƯỚ 86
10.1. Qu n lý v s d ng h p lý t i nguyên n cả à ử ụ ợ à ướ 86
10.1.1. M t s v n b n pháp lý chính liên quan n qu n lý t i nguyên ộ ố ă ả đế ả à
n cướ 86
10.1.2. Qu n lý t i nguyên n cả à ướ 90
Đẩy mạnh hợp tác quốc tế về bảo vệ, khai thác, sử dụng và phát triển tài nguyên
nước trên cơ sở tôn trọng chủ quyền, toàn vẹn lãnh thổ và lợi ích quốc gia 90
Tổ chức 94
Ví dụ: Phân công quản lý LVS: 95
10.1.3. Th c hi n mô hình DPSIR trong ánh giá môi tr ng n cự ệ đ ườ ướ 97
Các nội dung chủ yếu của các chỉ thị phục vụ quản lý môi trường lưu vực sông là:
98
10.2. M t s ph ng pháp ánh giá ch t l ng n cộ ố ươ đ ấ ượ ướ 112
10.2.1. ánh giá ch t l ng n c d a theo tiêu chu n môi tr ng Đ ấ ượ ướ ự ẩ ườ 112
10.2.2. ánh giá theo thang i m Đ đ ể 116
10.2.3. ánh giá t ng h p nhi u thông sĐ ổ ợ ề ố 119
10.2.4. ánh giá d a trên ch tiêu t ng h pĐ ự ỉ ổ ợ 120
10.2.5. ánh giá thông qua mô hìnhĐ 123
10.2.6. ánh giá d a theo ch th sinh v t Đ ự ỉ ị ậ 130
10.2.7. ánh giá qua c tính thi t h i kinh tĐ ướ ệ ạ ế 133
10.3. H th ng quan tr c ch t l ng n cệ ố ắ ấ ượ ướ 134
Mẫu rời rạc (hay còn gọi là mẫu đơn giản): 137
Mẫu hỗn hợp: 137
3
PHẦN II: CƠ SỞ MÔI TRƯỜNG NƯỚC

CHƯƠNG VI. ĐẠI CƯƠNG VỀ NƯỚC TỰ NHIÊN
6.1. Sự hình thành nước, vai trò và sự phân bố của nước trong tự nhiên.
6.1.1. Sự hình thành nước trên trái đất [1, 2, 3, 4]
Học thuyết khoa học về quá trình xuất hiện của nước và hình thành sự sống trên
hành tinh trái đất nhiều nhà khoa học công nhận nhất là thuyết về sự sống được bắt
đầu từ những dạng vật thể vô cùng cô đọng, có tỷ trọng cực lớn tồn tại trong khoảng
thời gian cách xa đây vô tận. Học thuyết ấy cho rằng khoảng mười lăm đến hai mươi
tỷ năm trước đây đã xảy ra 1 vụ nổ lớn (Big Bang). Vụ nổ làm vật thể này tung thành
những đám mây khí có nhiệt độ cao vô cùng, hơi nóng và hạt nguyên tử lan truyền
khắp nơi. Cùng với thời gian, đám mây khí nguội dần rồi cô đọng thành các thiên thể.
Hơn 10 tỷ năm sau vụ Big Bang, tinh vân Ngân Hà được hình thành trong đó có Mặt
trời và Trái đất của chúng ta. Khoảng 4,4-4,5 tỷ năm trước đây đã có quả đất với lớp
vỏ cứng nằm cách xa mặt trời khoảng 150.000.000 km. Từ thời gian đó, những thay
đổi chính đã xuất hiện theo một tỷ lệ tăng dần với thời gian. Khí quyển qủa đất dần
hình thành
1
(trong phần I) và rồi nước xuất hiện khi băng giá tan chảy trên mặt đất
2
.
Như vậy, cùng với quá trình hình thành trái đất, khí quyển, thì nước và sự sống
cũng hình thành và dần dần xuất hiện trên các yếu tố cấu thành nên môi trường sống
của chúng ta.
6.1.2. Tác động và vai trò của nước đối với môi trường [5, 6, 7, 8, 9]
Trong khi hyrdo chỉ là một cấu phần rất nhỏ của toàn bộ quả đất thì nước là một
thành phần chính, quan trọng đối với việc tồn tại và phát triển sự sống trên hành tinh.
Nước bao phủ 70% bề mặt trái đất (với độ sâu chứa nước từ 0-11 km (độ sâu chứa
nước
1
: Khi nghiên cứu các lớp ngoài của mặt trời, các hành tinh và các ngôi sao, môi
trường giữa các vì sao, tinh vân, sao chổi và các đối tượng khác trong vũ trũ, người ta đã

phát hiện ra rằng: trong các đối tượng đó có mặt hầu hết mọi nguyên tố hoá học mà khoa học
đã biết. Những nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ là Hydro và Heli. Tổng số các nguyên tử
của chúng trong nhiều các vì sao, tinh vân và trong môi trường giữa các ngôi sao lớn gấp
trăm ngàn lần so với số nguyên tử của các nguyên tố còn lại. Các nguyên tố C, N, O , Ne, Na,
Ca, Ti, Si, Fe là những nguyên tố phổ biến. Trong vũ trụ các nguyên tố này ở dưới dạng
nguyên tử và phân tử, hợp chất của chúng chủ yếu ở trạng thái ion hoá.
4
2
: Nước có mặt làm cho sự sống dần hình thành, cách đây 3 tỷ năm sự sống đầu tiên
đã xuất hiện ở biển có dạng như vi khuẩn và tảo ngày nay.
trung bình là 4 km) và có mối quan hệ khăng khít với không khí và đất.
Cả đất, không khí và nước đều là những nơi mà các hoạt động của con người
tác động lên rất mạnh mẽ. Chẳng hạn, đất nông nghiệp bị xáo trộn do những thay đổi
của đồng cỏ hoặc rừng; hay việc làm tăng các sản phẩm nông nghiệp có thể là nguyên
nhân làm giảm lớp phủ thực vật, thay đổi sự thoát hơi nước của cây cối và ảnh hưởng
đến điều kiện vi khí hậu. Kết quả là tăng mưa, tăng xói mòn đất, gây tích tụ bùn và
phù sa trong nước. Tiếp đó chu trình dinh dưỡng có thể xảy ra với tần xuất cao hơn,
dẫn đến thay đổi nồng độ của các chất dinh dưỡng trong lớp nước bề mặt. Cứ như vậy,
lần lượt, chúng có thể tác động một cách sâu sắc đến các tính chất hoá học và sinh học
của nước.
Mặt khác, nước với những tính chất rất đặc biệt và quý giá của nó mà ta sẽ xét ở
chương sau đã là những điều kiện thiết yếu để tạo nên cuộc sống trên hành tinh này
3
.
Nước được coi là dung môi “độc nhất”, dung môi “đa năng” có khả năng hoà tan rất
nhiều chất. Thêm nữa, cùng với khả năng bay hơi cao của mình, nước đã đóng vai trò
điều khiển sự phong hoá hoá học của đất đá, cung cấp dinh dưỡng cho thực vật và vận
chuyển các chất hoá học vào cơ thể sinh vật.
Lịch sử nhân loại đã chỉ ra rằng sự cung cấp nước có mối liên hệ rất mật thiết
với nền văn minh, với sự phát triển và diệt vong của nhân loại. Hàng loạt các thành

phố và nền văn minh bị biến mất do cạn kiệt nguồn nước dẫn đến sự biến đổi khí hậu,
bởi:
- Sự phát triển giao thông và đô thị đã làm tăng các cơn lũ lụt là bởi các cây
xanh và đất bị thay thế bằng các công trình xây dựng, các đường cao tốc Điều đó dẫn
đến tăng tốc độ dòng chảy của các dòng nước mưa. Nếu mực nước biển tăng trong các
thế kỷ tới như dự báo thì một số vùng thấp ven biển, các vùng đất ngập nước và một số
vùng đất trồng sẽ bị nhấn chìm xuống dưới mực nước biển.
- Hàng triệu người trên thế giới, đặc biệt trong các nước đang phát triển bị thiệt
mạng do các bệnh từ nước bẩn gây ra. Các bệnh tật được sinh ra theo con đường nước
có thể gây chết đến 10% dân số của một thành phố. Chất lượng nước kém do sự ô
nhiễm nước ngày càng gia tăng đang đặt ra cho loài người những thử thách nặng nề.
Nhiều bệnh dịch do vi khuẩn và vi rút lây nhiễm theo con đường nước đã gây ra những
thảm hoạ cho con người như bệnh dịch tả năm 1991-1992 ở Nam Mỹ. Năm 2002, trận
lũ trên sông Ngàn Phố (một nhánh nhỏ của sôgn Cả) gây dịch tả, đặc biệt trâu bò
5
chết Hoặc như, theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới, thì trong vòng 24 giờ đồng
hồ có đến 13.000 trẻ em dưới 1 tuổi bị chết do nước bẩn, trên 1,5 tỷ người không có
nước sạch để uống (số liệu trước năm 1996).
3
: Hiện nay chúng ta chỉ mới biết riêng hành tinh của chúng ta là có nước.
- Sự có mặt của các hoá chất độc hại ở các quốc gia phát triển, chất thải hữu cơ
clo hoá từ các sản phẩm hoá học công nghiệp, kim loại nặng từ các phân xưởng mạ
kim loại, thuốc trừ sâu diệt cỏ, nồng độ muối khoáng tăng ở các cánh đồng nông
nghiệp đã làm xấu đi các tính chất của các nguồn nước. Mặc dù cho đến nay con
người đã có nhiều biện pháp tích cực kiểm soát nguồn nước nhưng vẫn chưa thoát khỏi
vấn đề ô nhiễm nước.
Nước mà con người dùng được hầu hết là nước ngọt từ nguồn nước bề mặt và
nước ngầm. Nguồn nước này đang bị đe doạ nhiễm bẩn và cạn kiệt do việc xả thải và
sử dụng thiếu ý thức của con người, cộng thêm với sự gia tăng nhanh dân số thế giới
4

.
Các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp đều đòi hỏi một lượng nước rất lớn
5
. Mặt
khác mức sống của dân chúng nâng cao cũng đã dẫn đến nước sử dụng cho sinh hoạt
tăng lên nhiều lần so với vài ba thập kỷ trước. Cách sử dụng nước ngọt như hiện nay
sẽ không thể bền vững nếu dân số toàn Thế giới lên đến 10 tỷ vào năm 2050. Nhiều
nơi đã bị thiếu nước trầm trọng. Nói chung tình trạng khan hiếm nước đang dần trở
nên hết sức căng thẳng theo thời gian ở những địa điểm nhất định. Trong những vùng
khô hạn và các miền duyên hải hiện trạng thiếu nước cũng như nước bị nhiễm mặn
đang là mối lo ngại buộc chúng ta cần sớm tìm ra các giải pháp hợp lý.
Nước tham gia vào mọi quá trình xảy ra trên trái đất như địa mạo, địa hoá, xói
mòn làm cho trên bề mặt trái đất hình thành nên các sông, suối, đồng bằng Nước
trong khí quyển được coi là lớp áo giáp bảo vệ quả đất khỏi bị giá lạnh và điều hoà khí
hậu, bởi vì nước có khả năng lưu giữ và ổn nhiệt tốt hơn mặt đất và không khí.
Nước có ý nghĩa đặc biệt đối với mọi quá trình sinh học, nó là thành phần chính
của mọi vật thể sống. Trung bình trong một cơ thể sống, nước chiếm 80%. Trong các
động vật bậc cao, nước chiếm 60-70% trọng lượng cơ thể; các sinh vật biển như sứa và
một số loài tảo, nước chiếm một tỷ lệ rất cao khoảng 98% trọng lượng cơ thể. Nhưng
vi khuẩn ở trạng thái bào tử hoặc sinh khí lơ lửng mà bền vững thì hàm lượng nước chỉ
là
50%. Đối với con người, nước chiếm khoảng 70% trọng lượng cơ thể
6
. Trong
6
4
: DSTG tăng gấp đôi từ 2,5 tỷ năm 1950 đến 5,0 tỷ năm 1987. Theo dự kiến của LHQ
nếu độ mắn ổn định ở mức 2,5 con thì vào năm 2050 DSTG sẽ đạt 28 tỷ (một viễn cảnh xấu
nhất), nếu độ mắn thấp hơn ở mức 1,7 con DSTG sẽ đạt 7,8 tỷ.
5

: Ở hầu hết các nước,việc tưới tiêu trong nông nghiệp là nguồn tiêu thụ nước chính,
chiếm khoảng 70% lượng nước rút ra trên thế giới, nhưng chỉ < 40% nước tưới tiêu được
dùng để phát triển mùa màng, phần còn lại là lãng phí.
6
: Trong cơ thể con người nước có trong sinh chất của các mô và tế bào (từ 20%
trong xương đến 85% trong tế bào não). Người có trọng lượng trung bình nước chiếm 72,5%
trọng lượng cơ thể, trong đó trong tế bào là 26,5% và ngoài tế bào là 46%.
cơ thể sinh vật, nước đóng vai trò như một dung môi để thực hiện quá trình trao đổi
chất và năng lượng. Ngoài thiên nhiên, thuỷ sinh vật sống trong nước coi nước như là
giá thể để cư trú, di chuyển và tìm kiếm thức ăn. Nước là tấm vỏ bọc bảo vệ rất an
toàn cho thuỷ sinh vật tránh các thay đổi đột ngột của thời tiết khắc nghiệt trên cạn
hoặc các tia bức xạ nguy hiểm từ vũ trụ và mặt trời.
Tóm lại, nước có mặt ở tất cả các quyển của trái đất như khí quyển, thuỷ quyển,
địa quyển, sinh quyển và nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của tự
nhiên và đời sống trên hành tinh chúng ta. Vì vậy sự hiểu biết về nước, về tính chất lý,
hoá học cũng như sự tồn tại và vận chuyển của nước trong môi trường là cơ sở để giải
quyết những tác động xấu do nước gây ra.
6.1.3. Lượng nước, sự phân bố và tiêu thụ nước trên trái đất [5, 6]
Nước là một thành phần cơ bản và quan trọng của môi trường sống mà sự có
mặt của nó làm nên một quyển trên trái đất đó là thuỷ quyển. Thuỷ quyển bao gồm
toàn bộ các dạng chứa nước trên hành tinh của chúng ta. Đó là: đại dương, biển, sông,
hồ, suối, các tảng băng và nước ngầm .v.v.
Toàn bộ lượng nước trên trái đất có khoảng 1.400 x 10
9
km
3
, trong đó khoảng
97% lượng nước toàn cầu là ở đại dương và biển. Tuy nhiên do hàm lượng muối cao
nên nước ở đây không được sử dụng cho nhu cầu của con người. Trong phần nước còn
lại thì phần lớn lại nằm đóng băng ở 2 đầu cực và các tảng băng (chiếm khoảng 2%

tổng lượng nước - TLN). Lượng nước này che phủ khoảng 10% bề mặt trái đất hiện
tại. Như vậy, chỉ còn khoảng 0,6% nước ngọt bao gồm cả nước bề mặt và nước ngầm
là có thể sử dụng được. Trong tổng lượng nước đó, con người thực sự chỉ sử dụng
khoảng 0,3% dưới dạng nước ngọt phục vụ các mục đích khác nhau của mình. Ngoài
ra nước còn được phân bố trong khí quyển dưới dạng hơi nước khoảng 0,001% TLN.
Bảng 6.1. Sự phân bố nước trong các dạng chứa nước trên trái đất
7
Stt
Phân bố % Thể tích x 10
17
kg
1 Biển và đại dương 97,000 13.700,000
2 Băng hai cực 2,000 165,000
3 Nước ngầm đến độ sâu 750 m
Nước ngầm đến độ sâu 4.000 m
0,500 42,000
95,000
4 Sông, hồ 0,010 1,300
5 Khí quyển 0,001 0,105
Phần nước ngọt trên trái đất được phân bố theo hình sau:
Hình 6.1. Sơ đồ biểu diễn sự phân bố nước ngọt
Hiện tại, lượng nước dùng cho các nơi tiêu thụ chính là: cho thuỷ lợi (30%), các
nhà máy nhiệt điện (50%), dùng cho sinh hoạt (7%) và tiêu thụ của các ngành công
nghiệp (12%) Chúng ta đều biết rằng, trung bình mỗi người cần 2 lít nước cho việc
ăn uống của họ hàng ngày. Lượng nước này tiêu thụ nhiều hay ít thường tuỳ thuộc vào
vùng khí hậu, vị trí địa lý và cơ địa từng người. Nó thường tăng lên đến 3-4 lít đối với
những đất nước có khí hậu nóng, tuy nhiên so với nước sử dụng cho sinh hoạt thì nó
thường không đáng kể lắm. Lượng nước sinh hoạt có thể thay đổi từ vài lít ngày trong
các quốc gia không có dịch vụ cấp nước công cộng và có tập quán gia đình thấp đến
vài trăm lít ngày trong những nước phát triển. Nói chung, khoảng 2/3 số dân trên thế

giới sử dụng trung bình 140 lít nước ngày. (Theo thống kê )
Về tiêu thụ và sử dụng nước ở Việt Nam: là nước đông dân, đất canh tác ít, diện
tích canh tác tương đương Trung Quốc, nhưng thua các nước trong khu vực và Thế
giới. Mức cho thủy lợi và tưới tiêu đạt 3% (thập kỷ 1970) giảm dần xuống 2% (thập kỷ
1980) và nay tăng trưởng dần lên thứ 6 Thế giới về sử dụng nước (91,4 tỷ m
3
) và sử
8
25% 96%
tầng
đất
sâu
4%
hồ
70,5%
75% ở hai
cực v các à
sông băng
14% đất ẩm
8,2% k
2
7%sông
dụng theo đầu người 1,184 m
3
/người (năm 1995). (Theo Nguyễn Tiến Đạt – Dự báo sử
dụng nước ở Việt Nam – Cương trình KC-12)
Bảng 6.2. Phân phối nước sinh hoạt
Địa phương Phân phối Lượng nước được phân phối (lít/ngđ)
Min Max. Trung bình
Thành phố Trong các gia đình

Vòi lấy nước chữa cháy
70-250
25-70
140
40
Nông thôn Trong nhà hoặc vòi lấy
nước chữa cháy
25-70 40
Một nhóm tiêu thụ nước thứ ba có thể được thêm vào đây bao gồm các cơ quan,
công ty và các dịch vụ công cộng khác nhau như trường học, bệnh viện, bể bơi, quét
đường Ngoài ra, một số ngành công nghiệp cũng sử dụng nước cấp công cộng.
Nhóm này thường sử dụng một lượng nước cấp lớn.
Cuối cùng phải kể đến cả lượng nước bị thất thoát trong quá trình sử dụng. Sản
lượng nước của một hệ thống phân phối được xác định qua mối quan hệ giữa thể tích
nước mà người tiêu dùng nhận được với lượng nước được đưa ra khỏi nhà máy. Một
hệ thống tốt thì sản lượng phải đạt 80%. Ở Pháp 50% các hệ thống có sản lượng <
70%, trong đó 25% các hệ thống có sản lượng < 60% (Lyonnaise des Handbook).
Bảng 6.3. Nhu cầu về nước của các đối tượng khác nhau
Địa phương Nước(m
3
)/người,
năm
Địa phương Nước(m
3
)/người, năm
Dân nông thôn 12-15 Pari 150
Nhà chung vách 110 Lyon 140
Căn hộ
- Bình dân
- Tiện nghi

60
200
New York
Cơ quan
500
25
Bảng (6.3) trên đây trình bày những thay đổi trong nhu cầu về nước ở những lối
sống khác nhau.
Hiện nay, tại Mỹ, lượng nước sử dụng bình quân là khoảng 1,6 x10
9
m
3
/ngày;
hay nói một cách khác bằng khoảng 10% tổng lượng nước mưa rơi trên mặt đất.
Lượng nước sử dụng cho nông nghiệp và công nghiệp chiếm xấp xỉ 46% tổng lượng
nước tiêu thụ
7
. Lượng tiêu thụ cho đô thị chiếm 8% tổng lượng nước.
9
Một vấn đề chính liên quan đến sự cấp nước toàn cầu là sự phân bố không đều
của nó theo thời gian và khu vực của các vùng trái đất. Sự phân bố không đều này phụ
thuộc chủ yếu vào các yếu tố khí hậu là bức xạ và mưa. Mặc dù, lượng mưa trung bình
hàng năm trên toàn bộ lục địa là 700 mm, nhưng vẫn có những thay đổi trong một
khoảng rộng giữa các vùng khác nhau cả về tổng lượng mưa và cả về mùa mưa. Chẳng
hạn, ở vùng sa mạc Atacama-Chi lê lượng mưa là 0,0 mm/năm, trong khi đó lượng
mưa ở vùng Cherrapunji-Ấn độ lượng mưa là 26 x10
3
mm/năm. Lượng mưa bình quân
nhiều
7

: Đầu thế kỷ 20 lượng nước dùng cho nông nghiệp chỉ vào khoảng 500 tỷ m
3
, dự kiến
năm 2000 là 3.300 tỷ m
3
,lượng nước sinh hoạt tăng vào khoảng từ 20 tỷ sẽ lên 400 tỷ m
3
.
năm ở Việt Nam tương đối lớn1.957mm, ở những trung tâm mưa lượng mưa rất lớn,
Ví dụ Bắc Quang (Cao Bằng) 5.000mm, Bạch Mã (đèo Hải Vân) 8.000mm (GS. Ngô
Đình Tuấn). Đặc biệt lượng mưa ngày cực lớn ví dụ trận mưa năm 1999 ở Huế
1.430mm. Một số quốc gia có đủ nước mưa hàng năm nhưng hầu hết lại nhận được
chúng trong cùng một thời gian, ví dụ như Ấn độ, 90% lượng mưa hàng năm đổ vào
tháng 7-9. Nhưng cơn mưa lớn kéo dài này làm ngập đất, lấy đi các chất dinh dưỡng
của đất, làm trôi các lớp đất mặt và cây trồng. Nó là nguyên nhân của những trận lụt
đồng bằng. Hoặc như, ở Anh, giá trị mưa trung bình cho những vùng đất thấp là 500
mm/năm, trong khi đó vùng phía Tây là 2.500 mm/năm
8
.
Ở các vùng vĩ độ cao, nhiệt độ thấp, mùa nhiều nước là mùa xuân, đó là lúc
băng tuyết tích luỹ được trong suốt mùa đông bị tan chảy khi thời tiết ấm lên. Lượng
dòng chảy trong mùa này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào lượng nước trữ được trên lưu vực
và vào lượng mưa trong thời kỳ tuyết tan. Mức độ tập trung của dòng chảy và độ dài
của mùa phụ thuộc vào trường nhiệt và cường độ bức xạ của khu vực. Mùa ít nước
còn gọi là mùa cạn (khô), lượng dòng chảy trong mùa chủ yếu được cung cấp nhờ
nguồn nước ngầm nên nhỏ và ổn định hơn dòng chảy mùa lũ.
Trong các vùng vĩ độ thấp và trung bình, nhiệt độ cao, mùa nhiều nước gọi là
mùa lũ. Dòng chảy trong mùa lũ chủ yếu do mưa cung cấp. Do đó thời gian xuất hiện
lũ và độ dài của mùa được quyết định bởi thời điểm xuất hiện và kéo dài của mùa
mưa. Mưa càng lớn và tập trung thì dòng chảy mùa lũ sẽ càng lớn và quy mô lũ càng

ác liệt.
Minh hoạ dưới đây sẽ cho chúng ta thấy rõ sự phân bố các nguồn nước trên trái
đất theo các đại dương, biển và các châu lục địa.
10
8
:Trên mặt đất hàng năm có lượng dòng chảy là 101.000 km
3
/năm
≈
750 mm/năm,
tổng lượng bốc hơi là 74.000 km
3
/năm
≈
545 mm/năm.Trên mặt biển hàng năm có lượng bốc
hơi là 351.00010
2
km
3
/năm
≈
940 mm/năm, lượng mưa là 324 000 km
3
/năm
≈
870 mm/năm.
Bảng 6.4. Phân bố nguồn nước trên thế giới
Lục địa hoặc
các vùng
Sườn Đại Tây

Dương
Sườn Thái
Bình Dương
Vùng lưu vực
nội địa
Tổng diện tích
của đất
F.10
3
km
2
Dòng
chảy
mm
F.10
3
km
2
Dòng
chảy
mm
F.10
3
km
2
Dòng
chảy
mm
F.10
3

km
2
Dòng
chảy
mm
Châu Âu kể cả
Ailen
1970 297 1710 109 9680 262
Châu A kể cả
Nhật,
Philippin
11970 163 16700 300 13630 17 42300 170
Châu Phi kể cả
Madagasca
13250 355 5470 218 11130 14 29850 203
Châu Uc kể cả
Tasmania và
Newzeland
4230 140 3740 6 7970 76
Nam Mỹ 15600 475 1340 444 988 66 17928 450
Bắc Mỹ 14400 274 4960 485 835 11 20195 314
Băng đảo,
Canada và các
quầnđảo ởbiển
3880 180 3880 180
11
Malayan và
các quần đảo
2620 160 2620 160
Tổng hoặc

bình quân
64070 314 35320 393 32033 21
13442
3
250

Các lưu vực là những nơi có ảnh hưởng lớn đến đặc điểm của nước trên trái đất.
Về độ lớn chúng bao gồm từ những lưu vực nhỏ xíu tạo nên các dòng chảy ven biển
dọc theo dãy núi Napali ở vùng ven biển Hawaii đến lưu vực sông Amazon, bao phủ
lên một diện tích gấp 2 lần diện tích Ấn độ. Trừ một vài cộng đồng sống ở các vùng sa
mạc và hoang mạc, loài người sống chủ yếu ở lưu vực sông
9
.
9
:Phần bề mặt trái đất bao gồm cả tầng đất đá cung cấp nước cho mỗi hệ thống sông
hoặc một con sông riêng biệt gọi là lưu vực hệ thống sông hay lưu vực sông hoặc phần đất có
sông và các nhánh của chúng chảy qua.
12
Hình 6.2. Các lưu vực sông chính trên thế giới
13
6.2. Sự tuần hoàn của nước
6.2.1. Chu trình của nước
Nước cung cấp cho toàn cầu được phân bổ trong 5 phần của chu trình thuỷ quyển.
Hình 6.3. Chu trình thuỷ quyển đơn giản
Một phần lớn lượng nước này nằm trong các đại dương; Một phần khác có ở dạng
hơi nước trong khí quyển; Một số nằm ở trạng thái rắn như đá và tuyết ở các tảng tuyết,
băng và băng ở địa cực; Nước bề mặt có trong các kho trữ nước (như ao, hồ), sông, suối;
Và nguồn nước ngầm nằm trong các tầng ngậm nước dưới đất.
Nhờ chu trình luân chuyển, nước được phân bố đi khắp mọi khu vực trên trái
đất.Vòng tuần hoàn của nước hoạt động được nhờ sự hấp thụ năng lượng mặt trời, để tạo

ra sự bốc hơi nước từ các đại dương và đất liền. Một cách đơn giản là sự bay hơi nước
biển, nước bề mặt và sự hô hấp của cây cối sau đó ngưng tụ thành mây, mưa Ngoài ra,
gió, sóng và các dòng vật chất trong khí quyển cũng đóng góp vào sự lưu thông của cả
khối không khí và khối nước.
Gần khoảng 1/3 năng lượng mặt trời được bề mặt trái đất hấp thụ đã được dùng cho
việc làm bay hơi nước từ bề mặt các đại dương, ao, hồ, sông, suối và mặt đất. Lượng nước
bay hơi hàng năm trên trái đất khoảng trên 500.000 km
3
. Phần lớn lượng nước này được
bốc hơi từ mặt biển và đại dương (86% tổng lượng bốc hơi tức là khoảng > 430.000 km
3
)
sẽ trở lại đó dưới dạng mưa và tuyết (nhưng chỉ còn là 78% khoảng 390.000 km
3
) tạo nên
vòng tuần hoàn đầu tiên gọi là vòng tuần hoàn nhỏ. Phần còn lại, hơi nước theo các khối
không khí đi từ đại dương vào đất liền gặp điều kiện thuận lợi lại ngưng tụ thành mây, mưa
rơi trên đất liền (khoảng 120.000 km
3
). Lượng mưa rơi trên đất liền thực tế lớn hơn (57%)
lượng hơi nước được bốc hơi lên từ đất liền. Mưa rơi trên lục địa một phần thấm vào trong
đất, một phần chảy trên mặt đất hình thành nên các dòng sông, suối, phần còn lại lại bị bốc
Dòng chẩy
233
Bốc hơi
nước
Thoát hơi nước
Bốc hơi
Mây
Mây

Nước ngầm
Mặt trời
M
ư
a
Thực
Hồ
Biển
hơi. Quá trình mưa rơi trên đất liền vào hệ thống sông, suối rồi sau đó lại bốc hơi, sẽ lặp
đi lặp lại. Nhưng cuối cùng nước từ lục địa sẽ quay trở về biển cả nhờ các dòng chảy của
sông, suối và sự thấm trực tiếp của nước ngầm vào các đại dương để hình thành vòng tuần
hoàn lớn thứ hai trên trái đất. Một phần rất nhỏ của tổng lượng nước tuần hoàn (gần 8.000
km
3
) sẽ hình thành nên vòng tuần hoàn trong phạm vi các miền không lưu thông. Vòng
tuần hoàn này, ở một mức độ nào đó mang tính chất độc lập mặc dầu có liên quan với sự
tuần hoàn chung của nước. Nét đặc trưng của vòng tuần hoàn này là nước đi ra đại dương
không phải bằng các dòng chảy trực tiếp mà ở dạng hơi nước cuốn theo các khối không khí
tạo nên độ ẩm đặc trưng của vùng.
Hình 6.4. Trữ lượng nước trong các phần của chu trình thuỷ quyển
6.2.2. Thời gian lưu của nước
Thời gian “lưu” trung bình của hơi nước trong khí quyển khoảng 11 ngày. Trong
khí quyển hơi nước muốn dịch chuyển hoặc tồn tại được đòi hỏi phải có sự hấp thụ năng
lượng và như vậy nó sẽ có xu thế làm giảm nhiệt độ tại bề mặt chung của không khí và
nước. Năng lượng này lại được giải phóng ra khi hơi nước ngưng tụ. Và vì vậy, sự vận
động của hơi nước có tác dụng chuyển năng lượng nhiệt từ vùng này sang vùng khác.
Nước sẽ bốc hơi nhanh nhất ở những nơi có nhiệt độ cao nhất và ngưng tụ ở những nơi
nhiệt độ thấp hơn. Nhờ thế chu trình nước có tác dụng làm giảm sự khác nhau về nhiệt độ
giữa các vùng.
“Thời gian sống” hoặc 1 chu kỳ tuần hoàn của nước phụ thuộc vào các nguồn nước

và môi trường khác nhau. Chu kỳ này có thể rất dài hàng thiên niên kỷ và cũng có thể rất
ngắn. Chẳng hạn:
- Chu kỳ trung bình của hơi nước trong khí quyển là 11 ngày (12.900 km
3
).
KH QUYÍ ỂN 14
Đại dương:
1,4.10
6
380
Sông: 1,2
Sông
Băng đá: 27.10
3
Hồ ao: 280
Nước ngầm: 8.10
3
40
110
70
420
234
- Nước luân chuyển trong hệ động-thực vật là 7 ngày(700 km
3
).
- Nước sông luân chuyển khoảng 14 ngày (1.700 km
3
).
- Nước trong đất luân chuyển từ 2 tuần đến 1 năm (65.000 km
3

).
- Nước ở hồ và đầm lầy có thời gian sống tính đến hàng năm(125.000km
3
).
- Nước ngầm hàng ngàn năm (7.000.000 km
3
).
- Nước băng hà hàng triệu năm (26.000.000 km
3
)
- Nước đại dương có chu kỳ dài hàng tỷ năm ( 1.370 tỷ km
3
).
6.3. Phân loại nước tự nhiên.
Nước có mặt trong thiên nhiên từ rất nhiều nguồn khác nhau như sông ngòi, ao hồ,
suối, mạch ngầm, biển, đại dương Có thể nói nước thiên nhiên là một hệ dị thể nhiều hợp
phần, trong đó có cả chất tan và chất không tan có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ. Các chất
đó có thể được đưa từ khí quyển vào; hoặc cũng có thể bị hoà nhập vào từ quá trình phong
hoá các quặng đất đá; hoặc từ các hoạt động sống và quá trình phân huỷ thối rữa; hay như
từ nước thải của sản xuất công nông nghiệp hoặc nước mưa chảy đổ vào nguồn nhận. Và
vì vậy mà con người có thể nhận được nước mặn, lợ, nghèo dinh dưỡng, giàu dinh dưỡng,
cứng, mềm, nước bị ô nhiễm hoặc không bị ô nhiễm Do vậy, việc phân loại nước cũng
có nhiều cách khác nhau, một số cách phân chia thường được sử dụng là:
6.3.1.Phân loại theo sự phân bố:
- Nước bề mặt
- Nước ngầm
- Nước biển.
6.3.2. Phân loại theo nhiệt độ (chủ yếu áp dụng đối với nước khoáng):
- Nhóm nước lạnh <30
o

C
- Nhóm nước ấm 30-35
o
C
- Nhóm nước nóng 35-50
o
C
- Nhóm rất nóng 50-70
o
C
- Nhóm quá nóng 70-100
o
C
- Nhóm nhóm nước sôi >100
o
C.
6.3.3. Phân loại theo pH:
- Nước trung tính (pH 6,5-8,5)
235
- Nước có tính axit (pH <6,5), nếu nước có giá trị pH <4 là nước rất chua
- Nước có tính kiềm (pH >8,5).
6.3.4. Phân loại theo độ cứng ( H-me/l):
- Nước rất mềm H <1,5
- Nước mềm H = 1,5 – 3,0
- Nước hơi cứng H = 3,0-6,0
- Nước cứng H = 6,0-9,0
- Nước rất cứng H >9,0.
6.3.5. Phân loại theo độ khoáng hoá:
- Phân loại chung: nước nhạt là nước có hàm lượng các muối khoáng <1g/l; nước
lợ 1-25 g/l; nước mặn >25 g/l

- Phân loại nước sông ngòi theo Aliokin: bậc 1, 2, 3, 4, 5 có độ khoáng tương ứng
<100, 100-200, 200-500, 500-1.000, >1.000 (mg/l) với tên là độ khoáng rất nhỏ, nhỏ, trung
bình, tương đối cao và cao. Đa số các sông trên thế giới có độ khoáng bậc 1, 2 và 3.
- Phân loại nước khoáng: nước khoáng có độ khoáng hoá rất thấp (<1 g/l); khoáng
hoá thấp (1,0-5,0 g/l); khoáng hoá trung bình (5,0-10,0 g/l); khoáng hoá cao (10,0-35,0
g/l); khoáng hoá rất cao (>35,0 g/l).
6.3.6. Phân loại theo thành phần hoá học
Dựa vào thành phần các anion có mặt trong nước, Aliokin phân loại nước theo 3
nhóm anion chính HCO
3
-
, SO
4
2-
và Cl
-
có mặt trong nước thành các lớp:
- Lớp bicacbonat (HCO
3
-
+ CO
2
): đặc trưng cho nước sông hồ ngọt, nước ngầm có
độ khoáng thấp.
- Lớp Cl
-
: đặc trưng cho nước đại dương, nước Liman, hồ mặn.
- Lớp SO
4
2-

: đặc trưng cho các loại nước có độ khoáng hoá trung gian giữa hai lớp
trên.
Mỗi lớp lại được chia thành 3 nhóm dựa theo các cation Ca
2+
, Mg
2+
và K
+
, Na
+
có
mặt trong đó. Rồi từ đó mỗi nhóm được phân thành 4 kiểu dựa vào tương quan hàm lượng
giữa tất cả các ion kể trên (tính theo mini đương lượng gam - mĐ).
+ Kiểu I có tương quan HCO
3
-
> Ca
2+
+ Mg
2+
liên quan đến quá trình phong hoá
đá Macma hoặc trao đổi Ca
2+
và Mg
2+
với Na
+
. Nước kiểu này có độ khoáng hoá nhỏ,
thường là nước các hồ lưu thông ít và có nguồn cấp nước chủ yếu là nước ngầm.
236

+ Kiểu II có tương quan HCO
3
-
< Ca
2+
+ Mg
2+
< HCO
3
-
+ SO
4
2-
. Kiểu này có liên
quan với cả đá trầm tích và Macma, bao gồm nước của đại đa số các sông hồ, nước ngầm
có độ khoáng trung bình và nhỏ.
+ Kiểu III có tương quan HCO
3
-
+ SO
4
2-
< Ca
2+
+ Mg
2+
hoặc Cl
-
> Na
+

. Nước kiểu
này có độ khoáng hoá cao, bao gồm nước Liman, nước có độ khoáng hoá cao trong hồ và
nước ngầm.
+ Kiểu IV có đặc trưng là vắng mặt ion HCO
3
-
. Đây là kiểu nước axit, thường gặp
ở các vùng đầm lầy, hầm mỏ, núi lửa hoặc những nơi bị nhiễm bẩn mạnh.
237
CHƯƠNG VII. ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC
7.1. Cấu tạo của phân tử nước và liên kết hydro [2, 3, 4, 16, 18]
7.I.1. Cấu tạo của phân tử nước
Nước được ký hiệu một cách đơn giản nhất với công thức là H
2
O. Thành phần hoá
học của nước được nhà Hoá học Pháp nổi tiếng Lavoazie (1743-1794) xác định năm 1783.
Nước chứa 11,19 % hydro và 88,81 % oxy theo khối lượng. Khối lượng phân tử của nước
là 18,0153. Trong thực tế cả các nguyên tử hydro (H) và oxy (O) đều có nhiều đồng vị.
Tính chất vật lý của nước phụ thuộc nhiều vào thành phần đồng vị và cấu trúc của phân tử
nước. Trong tự nhiên có thể có các phân tử nước được cấu tạo từ các đồng vị bền khác
nhau như H
1
, H
2
(D), H
3
(T), O
16
, O
17

, O
18
; trong đó hàm lượng các phân tử kiểu H
1
O
16
H
1
chiếm tuyệt đại đa số. Các kiểu phân tử nước còn lại được gọi là “nước nặng” và chỉ chiếm
khoảng 0,015% tổng thể tích nước trên trái đất và nồng độ khoảng 10
-18
% (theo P.O’Nell.),
nhưng đã tạo ra những điều hết sức thú vị về nước
10
.
Xét về mặt cấu tạo, phân tử nước được tạo nên từ 2 nguyên tử H và 1 nguyên tử O.
Cấu hình electron của nguyên tử O và H như sau:
H: 1S
1
O: 1S
2
2S
2
2P
4
Như vậy, phân tử H
2
O có tất cả 10 electron, trong đó 8 electron là của nguyên tử
oxy và 2 electron là của 2 nguyên tử hydro tạo thành 5 cặp electron và được phân bổ như
sau:

- 1cặp electron bên trong nằm gần hạt nhân của nguyên tử oxy.
- 2 cặp electron bên ngoài tạo thành 2 liên kết ( H-O) nhờ sự góp chung điện tử của
2 nguyên tử hydro với 2 điện tử trong 2 obitan 2p của oxy để tạo thành 2 liên kết cộng hoá
trị.
- 2 cặp electron bên ngoài nữa là 2 cặp electron của 2 obitan của nguyên tử O không
tham gia tạo liên kết trong phân tử nước.
Khoảng cách: H-O = 0,0958 nm
H-H = 0,1515 nm
10
: Tỷ số nồng độ tự nhiên của T: H
1
trong khí quyển = 1:10
14
. Lượng Dơteri trong hỗn
hợp các đồng vị thiên nhiên của Hydro là 0,014-0,015%.
238
Do O có độ âm điện lớn hơn H (3,5 &2,1 theo thang Paolinh), nên các mây điện tử
bị hút lệch về phía nguyên tử O làm cho liên kết cộng hoá trị H - O trở nên có cực (µ
OH
=
1,54 D) và 2 mối liên kết H – O tạo với nhau một góc 104
o
27’. Vì vậy phân tử nước phân
cực mạnh với mô men lưỡng cực phân tử µ
H2O
= 1,84 D.
7.I.2. Liên kết hydro
a) Ion hydro khi tham gia liên kết hoá học
Nguyên tử H ngoài khả năng tham gia liên kết cộng hoá trị thông thường còn có khả
năng tạo thành mối liên kết thứ 2 với một nguyên tử khác có độ âm điện lớn và có kích

thước nhỏ, đó là liên kết hydro. Nguyên nhân làm xuất hiện liên kết hydro là do đặc điểm
cấu tạo của nguyên tử H: nguyên tử H chỉ có 1 điện tử duy nhất, khi kết hợp với một
nguyên tử có độ âm điện lớn hơn thì đám mây điện tử này bị hút lệch mạnh về phía nguyên
tử có độ âm điện lớn hơn đó. Kết quả là nguyên tử H trở thành hạt mang điện dương có
những tính chất hoá học đặc biệt:
-Nó gần như chỉ trơ trọi một proton mang điện tích dương không có lớp vỏ điện tử
mang điện âm. Vì vậy không bị vỏ điện tử của các nguyên tử hay ion khác đẩy.
-Kích thước của nó rất nhỏ (nhỏ hơn các ion khác hàng ngàn lần). Vì thế ion H
+
dễ
đến gần sát các nguyên tử và ion khác, thậm chí
xâm nhập cả vào bên trong lớp vở điện tử của các nguyên tử và ion khác. Do đó ion
hydro có một khả năng đặc trưng là tạo thành mối liên kết thứ hai tức là liên kết hydro.
239
H
H
µ
OH
=1,54D
O
0,62pm
µ
H2O
=1,84D
104
o
27’
H
H
O

b) Đặc điểm của liên kết hydro
Trong phân tử nước, do sự có mặt của cả H và O nên giữa các phân tử nước với
nhau dễ dàng hình thành các liên kết hydro. Liên kết hydro kém bền hơn nhiều so với liên
kết cộng hoá trị thông thường (năng lượng liên kết hydro thường nằm ở khoảng 10-40
kJ/mol, trong khi năng lượng liên kết hoá học thông thường cỡ hàng trăm kcal/mol), nhưng
bền hơn lực Van der Waals (năng lượng từ 2-10 kJ/mol). Liên kết hydro gây ra hiện tượng
trùng hợp phân tử và do đó làm xuất hiện một số tính chất lý học và hoá học bất thường
của các chất, cụ thể là:
- Tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và nhiệt bay hơi của các chất (do liên kết
hydro ngoại phân tử). Sở dĩ như vậy là vì hiện tượng trùng hợp phân tử làm cho khối lượng
phân tử trung bình của chất tăng lên và lực hút giữa các phân tử tăng lên.
- Hiện tượng trùng hợp phân tử còn gây ra sự biến đổi bất thường về khối lượng
riêng. Đáng lẽ bình thường khi tăng nhiệt độ, do sự dãn nở nhiệt thì thể tích các chất tăng
lên và khối lượng riêng phải giảm đi. Nhưng khi có hiện tượng trùng hợp phân tử, nhiệt độ
tăng lên liên kết hydro gẫy ra thì sự biến đổi khối lượng riêng không đơn điệu như vậy nữa
mà phụ thuộc vào dạng và cách phối trí các phân tử dưới ảnh hưởng của liên kết hydro.
Điều này có thể thấy rất rõ khi ta xét những tính chất vật lý bất thường của nước ở dưới
đây (mục 2.3).
- Hiện tượng trùng hợp phân tử làm giảm độ điện ly và làm giảm tính axit của chất.
Ví dụ florua hydro (HF) nếu suy đoán đơn giản dựa vào độ âm điện thì phải có tính axit
mạnh vào cỡ HCl, HBr, HI, nhưng do liên kết hydro gây ra hiện tượng trùng hợp phân tử
tạo thành các phân tử dạng (HF)
2
điện ly yếu:
(HF)
2
⇔ HF
2
-
+ H

+
Ion (F - H . . .F)
-
khá bền, do đó sự điện ly tiếp tục ra H
+
rất khó khăn và kết quả là
HF chỉ là một axit có độ mạnh trung bình.
- Liên kết hydro giữ vai trò quan trọng trong nhiều quá trình hoà tan, vì độ tan của
nhiều chất phụ thuộc vào khả năng tạo liên kết hydro giữa phân tử chất tan với phân tử
dung môi để hình thành các sonvat. Ví dụ liên kết hydro được hình thành giữa phân tử
rượu etylic và nước:
C
2
H
5
C
O
H
O
H
H
240
7.2. Cấu trúc của nước [2, 3, 16, 17]
7.2.1. Quan niệm về cấu tạo của phân tử nước
Nước là chất lỏng quan trọng nhất trong các chất lỏng. Qua ảnh nhiễu xạ tia
Rơnghen người ta đã xác định được rằng trong nước lỏng vẫn còn giữ một phần cấu trúc
tinh thể của nước đá, trong đó mỗi phân tử nước liên kết với 4 phân tử nước bao quanh nó
bằng liên kết hydro hướng theo 4 đỉnh của tứ diện đều.
Giữa các yếu tố cấu trúc tứ diện như vậy có những lỗ trống kích thước lớn hơn kích
thước của phân tử nước. Tuy nhiên cấu trúc nước lỏng khác cấu trúc nước đá ở chỗ trong

nước lỏng do sự uốn cong và kéo dài các mối liên kết hyđrô nên sự phân bố các phân tử
nước ít nhiều bị lệch khỏi cách phân bố tứ diện chặt chẽ và các phân tử nước nằm sai lệch
về cấu trúc xảy ra càng mạnh và chuyển dần đến cấu trúc hỗn độn.
Hình 7.1. Một mảnh nhỏ cấu trúc của nước
Vì vậy người ta nói nước lỏng chỉ có cấu trúc “trật tự gần”. Ngoài ra do chuyển
động nhiệt, một phần liên kết hiđrô bị phá vỡ và lại được lập lại, phân tử nước chuyển từ
yếu tố cấu trúc tứ diện này sang yếu tố cấu trúc tứ diện khác, nên các phân tử nước liên tục
chuyển động tịnh tiến, do đó nước có khả năng tự khuyếch tán.
Nếu theo quan điểm của thuyết “đảo tinh thể” thì có thể hình dung trong nước lỏng
có cấu trúc của nước đá, tức là những “đảo tinh thể” nằm giữa một tập hợp nước chuyển
động hỗn loạn. Với chất lỏng là nước hiện tượng này biểu hiện rõ hơn trong các chất lỏng
khác.
7.2.2. Ba trạng thái của nước
Do những yếu tố cấu trúc tinh thể như vậy, đồng thời do có mômen lưỡng cực phân
tử lớn mà hằng số điện môi của nước có giá trị lớn (bằng 79.5 ở 25
o
C) và nước có tính chất
đặc biệt như có khả năng hoà tan và điện ly nhiều chất, nhiệt độ sôi cao, nhiệt độ bay hơi
lớn Có thể nói, cấu trúc của nước tuỳ thuộc vào trạng thái vật lý của nó. J. Bernal, R.
241
O
H
H
O
H
H
O
H
H
O

O
O
O
O
H
H
H
H
H
H
H
H
Fauler và Poling là những người dày công nghiên cứu về cấu trúc đặc biệt của nước nhất.
Trong các dạng cấu trúc nước thì cấu trúc tổ hợp phân tử trong băng là được nhiều các tác
giả nghiên cứu hơn cả. Theo nhiều nghiên cứu cho thấy:
a) Ở trạng thái khí (hơi): nước có công thức hoá học chính xác là H
2
O. Cấu tạo của
phân tử nước ở trạng thái này được giải thích như sau:
Phân tử nước được tạo thành từ 1
nguyên tử oxy và 2 nguyên tử
hydro. Nguyên tử oxy có hai điện
tử p độc thân có mây điện tử hình
quả chuỳ phân bố theo những
phương vuông góc với nhau (hình
7.2).
Hình 7.2. Hình 7.3.
Khi tạo thành phân tử nước thì 2 orbital 2p này sẽ xen phủ với 2 orbital 1s của 2
nguyên tử hydro dọc theo các trục của các mây p của nguyên tử oxy để xen phủ đạt tới
mức lớn nhất nhằm tạo ra 2 liên kết σ O-H. Do đó góc giữa 2 mối liên kết O-H bằng 90

o
.
Thực nghiệm cho thấy rằng góc liên kết này là 104
o
27’(>90
o
) là do liên kết O-H là liên kết
cộng hoá trị phân cực, các mây điện tử bị hút lệch về phía nguyên tử oxy làm xuất hiện
điện tích dương ở phía nguyên tử hydro và sự đẩy nhau giữa 2 nguyên tử hydro mang điện
tích dương dẫn đến sự mở rộng góc giữa 2 liên kết. Với cách giải thích này ta có phân tử
nước sẽ có cấu tạo hình tam giác phẳng (hình 7.3)
Ở các trạng thái ngưng tụ (nước và nước đá), nước có cấu tạo phức tạp hơn và điều
đó giải thích cho những tính chất bất thường của nước. Ở các trạng thái này nước thường
tồn tại dưới dạng các phân tử trùng hợp với công thức là (H
2
O)
n
. Khi đó nguyên tử oxy
trong nước có trạng thái lai hoá sp
3
, tạo thành 4 obitan lai hoá mà trục của 4 obitan này
hướng về 4 đỉnh của 1 tứ diện đều với nguyên tử O ở tâm của tứ diện và góc liên kết là
104
o
27’.
b) Ở trạng thái lỏng: nước tồn tại chủ yếu dạng phân tử nhị hợp (H
2
O)
2
. Một số

phân tử nước bị kết lại với nhau nhờ liên kết đặc biệt đó là liên kết hydro, thông qua cầu
nối hydro của phân tử nước này với nguyên tử oxy của phân tử nước bên cạnh tạo nên cấu
trúc tứ diện trong không gian.
242
104
o
27’
H
H
O
O
H
H
0,62 pm
Mô hình đám mây e của O
2
cơ bản đã lai hóa
Trạng thái cơ bản và đã lai hoá Sơ đồ PT nước có NT O Mô hình cụm nước lỏng
của NT oxy ở trạng thái lai hoá sp
3

Hình 7.4. Nguyên tử O khi tham gia lai hoá và mô hình cụm đung đưa Frank-
Wen của nước lỏng (theo Nemethy và Scheraga, 1962)
c) Trong trạng thái rắn: ở thể rắn n thường bằng 3, khối nước đá được cấu tạo bao
gồm 1 phân tử nước ở ví trí trung tâm và 4 phân tử nước khác nằm ở 4 đỉnh của 1 khối 4
mặt.
(I) (II) (III)
Hình 7.5. Cấu trúc bốn mặt của nước ở trạng thái rắn (theo Gray, 1973)
Trong nước đá, một nguyên tử O phối trí với 4 nguyên tử H bằng 4 mối liên kết,
trong đó có 2 liên kết cộng hoá trị và 2 liên kết hydro (hình 7.5). Vì mối liên kết hydro

(O H) có độ dài lớn hơn nên cấu trúc này tương đối xốp dẫn đến tỷ trọng nhỏ hơn và làm
cho nước đá có dạng trong suốt. Khi tăng nhiệt độ, nước đá tan chảy, một phần liên kết
hydro bị phá vỡ (khoảng 15%) và các phân tử trime chuyển dần thành các phân tử dime
làm cho khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử giảm xuống. Kết quả là nước lỏng có
khối lượng riêng lớn hơn nước đá. Nếu tiếp tục đun nóng thì một mặt liên kết hydro tiếp
tục bị phá vỡ làm cho khoảng cách giữa các phân tử giảm xuống. Mặt khác, nước bị dãn nở
nhiệt làm cho khoảng cách giữa các phân tử tăng lên. Từ 0 – 4
o
C quá trình thứ nhất (phá vỡ
liên kết hydro) trội hơn, do đó khối lượng riêng của nước tiếp tục tăng lên. Nhưng từ 4
o
C
trở lên quá trình thứ hai (sự dãn nở nhiệt) trội hơn và bây giờ nước lỏng chủ yếu cấu tạo từ
các phân tử nhị hợp (H
2
O)
2
nên sự biến đổi về mặt trùng hợp không còn là chủ yếu nữa. Do
đó từ 4
o
C trở lên khối lượng riêng của nước lại giảm xuống.
Việc nghiên cứu những biến dạng tinh thể (đặc biệt nhờ sự giúp đỡ của phổ
Raman), đã cho phép chúng ta hiểu được sự chuyển giao từ cấu trúc tinh thể mở của nước
đá sang trạng thái lỏng. Theo Bernal và Fauler, nước có cấu trúc kiểu trime đa phần ở nhiệt
độ < 4
o
C. Trong khoảng từ 4
o
C đến 200
o

C mạng lưới tinh thể của nước sắp xếp theo kiểu
243
thạch anh, các phân tử dày chặt hơn. Trên 200
o
C giữa các phân tử nước không còn liên kết
hydro nữa, nó tồn tại ở trạng thái đơn phân tử (thể hơi).
Bảng 7.1. Tính chất quan trọng của nước
TT
Tính chất Dấu hiệu và kết quả
1 Dung môi tuyệt vời Vận chuyển dinh dưỡng và chất thải cho các quá
trình sinh học tiến hành trong môi trường nước
2 Hằng số điện môi cao nhất
trong các chất lỏng thông
thường
Có khả năng hoà tan cao các chất dạng ion và ion
hoá chúng trong dung dịch
3 Sức căng bề mặt cao hơn so
với chất lỏng khác
Kiểm soát chức năng sinh lý; kiềm chế hiện tượng bề
mặt suy giảm
4 Trong suốt đối với ánh sáng
khả kiến và phần ánh sáng
tử ngoại gần
Không màu, ánh sáng để quang hoá có thể xuống
được tầng nước tương đối sâu (có thể đến 200 m)
5 Tỷ trọng cực đại ở 4
o
C Đá nổi trên mặt nước; sự lưu thông thẳng đứng hạn
chế sự phân tầng nước
6 Nhiệt bốc hơi cao hơn các

vật liệu khác
Quyết định sự truyền nhiệt cho các phân tử nước
giữa pha nước và khí quyển
7 Ẩn nhiệt nóng chảy cao hơn
các chất lỏng khác trừ
amoniac
Nhiệt độ ổn định ở điểm đóng băng
8 Nhiệt dung cao hơn chất
lỏng khác trừ amoniac
Làm ổn định nhiệt độ của cơ thể sống và các vùng
địa lý
Nhờ có cấu trúc linh động như vậy, nước đã trở thành một chất lỏng đặc biệt có
những tính chất lý, hoá học kỳ thú, quan trọng đối với sự sống và xác định hành vi của nó
trong môi trường. Trong đó nhiều tính chất của nước được quyết định bởi cấu trúc phân tử
phân cực và khả năng hình thành liên kết hydro. Những tính chất rất đặc biệt này của nước
được tóm tắt trên bảng 7.1.
244