KHÍ QUYỂN VÀ HÓA HỌC KHÍ QUYỂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG
ĐỀ TÀI:
KHÍ QUYỂN VÀ HÓA HỌC KHÍ QUYỂN
GVHD: Cô TÔ THỊ HIỀN
NHÓM TH:NHÓM 9
TP. Hồ Chí Minh Ngày 09 tháng 10 năm 2009
1
DANH SÁCH NHÓM 9
STT HỌ TÊN MSSV
1 Lê Hữu Lợi 0717051
2 Nguyễn Văn Nam 0717064
3 Huỳnh Quốc Nghiêm 0717069
4 Nguyễn Phan Tú 0717114
5 Nguyễn Anh Tuấn 0717130
2
MỤC LỤC
I. KHÍ QUYỂN VÀ HÓA HỌC KHÍ QUYỂN
Khí quyển bao gồm một lớp mỏng của hỗn hợp các chất khí bao phủ bề mặt trái đất.
Ngoại trừ nước, không khí tầng khí quyển gồm có nitrogen chiếm 78.1% về thể tích,
oxygen chiếm 21%, argon chiếm 0.9% và CO
2
chiếm 0.03%. Thông thường, không khí
chứa 1-3% hơi nước về thể tích. Thêm vào đó, không khí còn chứa một lượng lớn các chất
khí có nồng độ thấp dưới mức 0.002%, bao gồm neon, helium, methane, krypton, nitrous
oxide, hydrogen, xenon, sulfur dioxide, ozone, nitrogen dioxide, ammonia và carbon
monoxide.
Khí quyển được chia thành nhiều lớp dựa trên nguyên tắc nhiệt độ. Trong đó, lớp
chiếm phần đáng kể nhất là tầng đối lưu kéo dài từ bề mặt trái đất tới độ cao khoảng 11
km, và sau đó là tầng bình lưu từ khoảng 11 km tới xấp xỉ 50 km. Nhiệt độ của tầng đối

3
lưu dao động từ khoảng trung bình 15
0
C ở mặt nước biển tới khoảng trung bình -56
0
C ở
ngưỡng cực đại của nó. Nhiệt độ trung bình của tầng bình lưu tăng từ -56
0
C ở ngưỡng cực
đại của tầng đối lưu tới -2
0
C ở ngưỡng cực đại của nó. Nguyên nhân của sự tăng nhiệt độ
này là do sự hấp thụ năng lượng tia tử ngoại của mặt trời bởi khí ozone (0
3
) từ tầng bình
lưu.
Nhiều khía cạnh khác nhau của hóa học môi trường về khí quyển được thảo luận ở
phần 9-14. Điểm đặc trưng quan trọng nhất của hóa học khí quyển là sự xuất hiện của các
phản ứng quang hóa, là kết quả của quá trình hấp thụ các lượng tử ánh sáng bởi các phân
tử, ký hiệu là hν. (Năng lượng, E, của một photon của ánh sáng nhìn thấy được hay ánh
sáng tử ngoại được đưa ra bởi phương trình E = hν, trong đó h là hằng số Planck còn ν là
tần số tia sáng, tỉ lệ nghịch với chiều dài bước sóng của tia sáng. Bức xạ tia tử ngoại có tần
số cao hơn ánh sáng nhìn thấy được và, vì vậy, nó càng có khả năng phá vỡ liên kết hóa
học trong các phân tử hấp thụ nó hơn). Một trong những phản ứng quang hóa quan trọng
nhất là nguyên nhân cho sự hiện diện của ozone trong tầng bình lưu, được hình thành khi
O
2
hấp thụ mạnh năng lượng bức xạ tia tử ngoại trong bước sóng khoảng 135 – 176
nanometers (nm) và khoảng 240 – 260 nm trong tầng bình lưu:
O

2
+ hν  O + O (2.3.1)
Nguyên tử oxygen được sản xuất bởi sự phân ly quang hóa của O
2
phản ứng với phân tử
oxygen để sản sinh ra ozone, O
3
,
O + O
2
+ M  O
3
+ M (2.3.2)
trong đó M là yếu tố thứ ba, ví dụ như là phân tử N
2
, yếu tố này hấp thụ một lượng lớn
năng lượng từ phản ứng. Ozone được hình thành rất hữu hiệu trong việc hấp thụ bức xạ tử
ngoại có chiều dài bước sóng từ 220 nm tới 330 nm, việc này là nguyên nhân làm cho nhiệt
độ quan trắc trong tầng bình lưu tăng lên. Ozone giữ vai trò như là một máy lọc quý giá để
loại bỏ bức xạ tử ngoại khỏi tia nắng mặt trời. Nếu các bức xạ này tới được bề mặt trái đất
thì nó có thể gây ra bệnh ung thư da và những tác hại khác tới các sinh vật sống.
Khí Oxide trong khí quyển
Oxide của carbon, sulfur và nitrogen là các thành phần quan trọng của khí quyển và là
các chất ô nhiễm mức độ cao. Trong đó, carbon dioxide, CO
2
, chiếm thành phần nhiều
nhất. Đây là một thành phần không khí tự nhiên, và là một chất khí cần thiết cho sự phát
4
triển của thực vật. Tuy nhiên, nồng độ của carbon dioxide trong không khí, hiện nay đã vào
khoảng 360 phần triệu (ppm) về thể tích, và mức độ này tiếp tục tăng khoảng 1 ppm mỗi

năm. Như đã thảo luận ở Chương 14, việc tăng lượng CO
2
trong khí quyển có thể là
nguyên nhân làm cho không khí toàn cầu ấm lên, đây chính là hiệu ứng nhà kính, dẫn tới
một hậu quả vô cùng nghiêm trọng cho bầu khí quyển toàn cầu và sự sống trên trái đất.
Mặc dù không phải là hiểm họa toàn cầu nhưng carbon monoxide, CO, có thể là một mối
đe dọa nghiêm trọng tới sức khỏe bởi vì nó ngăn cản máu vận chuyển oxygen tới các mô
trong cơ thể.
Hai chất khí ô nhiễm nghiêm trọng nhất của oxide nitrogen là nitric oxide, NO, và
nitrogen dioxide, NO
2
, gọi chung là “NO
x
”. Những khí này có khuynh hướng đi vào tầng
khí quyển như là NO, và các quá trình quang hóa trong khí quyển có thể biến đổi NO thành
NO
2
. Những phản ứng sau đó có thể dẫn đến sự hình thành muối nitrat ăn mòn hay acid
nitric, HNO
3
. NO
2
là chất khí quan trọng đặc thù trong hóa học khí quyển bởi vì sự phân ly
quang hóa của chất khí này bởi ánh sáng có bước sóng ngắn hơn 430 nm để sản xuất ra các
nguyên tử O có khả năng gây phản ứng cao. Đây chính là bước đầu tiên trong sự hình
thành sương mù quang hóa. Sulfur dioxide, SO
2
, là một sản phẩm có khả năng gây phản
ứng của quá trình đốt cháy sulfur có chứa các chất đốt như là than đá có hàm lượng sulfur
cao. Một phần của khí SO

2
này bị biến đổi trong khí quyển để trở thành acid sulfuric,
H
2
SO
4
, thường là chất đóng góp chủ yếu vào quá trình gây mưa acid.
Hydrocarbon và sương mù quang hóa
Hydrocarbon nhiều nhất có trong bầu khí quyển là methane, CH
4
, thoát ra dưới mặt
đất từ các nguồn như là khí đốt tự nhiên và được sản xuất bởi quá trình lên men các chất
hữu cơ. CH
4
là một trong những hydrocarbon trong không khí ít có khả năng phản ứng
nhất và được sản xuất bởi các nguồn khuếch tán, vì vậy sự tham gia của nó trong sự hình
thành các sản phẩm ô nhiễm của phản ứng quang hóa là tối thiểu. Những hydrocarbon
không khí gây ô nhiễm quan trọng nhất là những phản ứng sản xuất như là sự phát thải khí
xe hơi.Với sự có mặt của NO, trong điều kiện nghịch đảo nhiệt độ, (xem chương 11), độ
ẩm thấp, và ánh sáng mặt trời, những hydrocarbon này sản sinh ra sương mù quang hóa
không mong đợi được biểu hiện bởi sự hiện diện của các hạt vật chất tối mờ có thể nhìn
thấy được, các chất oxy hóa như ozone và các loài hữu cơ độc hại như aldehydes.
5
Hạt vật chất
Các hạt được kết tập từ một vài phân tử hay vài mẫu bụi có thể dễ dàng nhìn thấy
được bằng mắt thường được tìm thấy trong khí quyển và được thảo luận chi tiết ở chương
10. Một số các hạt không khí, như là muối biển được hình thành do sự bay hơi của nước từ
các giọt bụi nước biển nhỏ, là tự nhiên và thậm chí có lợi cho thành phần nước biển.
Những hạt rất nhỏ gọi là hạt nhân ngưng tụ đóng vai trò là tổ chức cho hơi nước trong khí
quyển ngưng tụ lại và rất cần thiết cho sự hình thành của các giọt mưa. Các hạt keo trong

khí quyển được gọi là sol khí. Các sol khí này được hình thành do sự nghiền nhỏ một
lượng lớn vật chất và được biết đến như là các sol khí phân tán, trong khi các hạt được
hình thành từ các phản ứng hóa học của khí đốt là các sol khí ngưng tụ; cái sau có xu
hướng nhỏ hơn cái trước. Các hạt nhỏ hơn nhìn chung là có hại nhất vì chúng có xu hướng
phân tán ánh sáng lớn và có khả năng được hô hấp nhiều nhất (có xu hướng được hít vào
phổi).
Nhiều hạt vật chất khoáng sản trong bầu không khí ô nhiễm thường ở trạng thái là các
oxide và các hợp chất khác được tạo ra trong suốt quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa
thạch có hàm lượng tro cao. Các hạt nhỏ hơn của tro bay đi vào các lò đốt nhiên liệu và
được thu thập hiệu quả trong một hệ thống ống khói được trang bị tốt. Tuy nhiên, một số
tro bay cũng thoát ra khỏi ống khói và đi vào trong khí quyển. Không may, những tro bay
này thường có xu hướng phát triển thành các hạt nhỏ và như vậy sẽ gây ảnh hưởng nặng
tới sức khỏe con người, thực vật và tầm nhìn.
II. TẦM QUAN TRỌNG CỦA KHÍ QUYỂN
Khí quyển là một lớp bảo vệ nuôi dưỡng toàn bộ sự sống trên trái đất và bảo vệ sự
sống khỏi môi trường thù địch ở ngoài không gian. Khí quyển là nguồn gốc của CO
2
cho
sự quang hợp của cây xanh và của O
2
cho hô hấp. Nó cung cấp nitrogen có khả năng làm
đông lại các vi khuẩn và sản xuất ra ammonia được thực vật sử dụng để sản xuất ra nước
liên kết hóa học nitrogen, một thành phần cần thiết cho các phân tử sống. Như là một phần
cơ bản của chu trình thủy văn (hình 3.1), khí quyển vận chuyển nước từ các đại dương vào
trong đất liền, do đó nó đóng vai trò như là bộ ngưng tụ trong một thiết bị chưng cất lớn sử
dụng năng lượng mặt trời. Không may là khí quyển cũng được sử dụng như là một khu đất
6
thải rác của nhiều nguyên liệu gây ô nhiễm – từ SO
2
cho tới khí Freon đông lạnh – một

thực tế gây nhiều thiệt hại tới thảm thực vật và cơ thể sinh vật, rút ngắn tuổi thọ con người,
và làm thay đổi các đặc tính của chính bầu khí quyển.
Trong vai trò quan trọng như là một tấm khiên bảo vệ của mình, bầu khí quyển hấp
thụ hầu hết các tia vũ trụ từ ngoài không gian và bảo vệ các loài sinh vật khỏi tác động của
các tia này. Nó cũng hấp thụ phần lớn các bức xạ điện từ mặt trời, cho phép truyền tải một
lượng đáng kể bức xạ chỉ trong vùng 300 - 2500 nm (gần tia cực tím, có thể nhìn thấy và
gần tia hồng ngoại) và 0.01 - 40 m (sóng vô tuyến). Bằng cách hấp thụ bức xạ điện từ có
bước sóng dưới 300 nm, khí quyển lọc ra khỏi không khí các bức xạ cực tím nguy hiểm có
khả năng gây tổn hại nghiêm trọng tới các sinh vật sống. Thêm vào đó, vì nó hút lại nhiều
các bức xạ hồng ngoại có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời lại được phát thải vào
không gian, bầu khí quyển ổn định nhiệt độ của trái đất, ngăn ngừa cực trị nhiệt độ khủng
khiếp xảy ra trên hành tinh và mặt trăng thiếu không khí đáng kể.
III. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA KHÍ QUYỂN
Khoa học khí quyển giải thích về sự chuyển động của khối khí trong khí quyển, sự cân
bằng nhiệt độ không khí, và thành phần hóa học của không khí và các phản ứng. Để hiểu
được hóa học khí quyển và ô nhiễm không khí, điều quan trọng là phải có một sự đánh giá
tổng thể về bầu khí quyển, thành phần của nó và tính chất vật lý như đã được thảo luận ở
đầu chương này.
Thành phần của khí quyển
Không khí trong khoảng vài km từ mặt đất đến đường chân trời bao gồm hai thành
phần chính là:
Nitrogen, 78.08% (về thể tích) Oxygen, 20.95%
và hai thành phần phụ là:
Argon, 0.934% Carbon dioxide, 0.036%
7
trong thành phần của argon, còn có thêm bốn khí hiếm nữa:
Neon, 1.818 x 10
-3
% Helium, 5.24 x 10
-4

%
Krypton, 1.14 x 10
-4
% Xenon, 8.7 x 10
-6
%
và khí pha loãng như quy định trong bảng 9.1. Không khí trong khí quyển có thể còn chứa
từ 0.1–5% nước về thể tích, với mức bình thường từ 1–3%.
Khí % thể tích Nguồn phát sinh Quá trình đưa vào
bầu khí quyển
CH
4
CO
N
2
O
NO
X
HNO
3
NH
3
1.6 x 10
-4
~1.2 x 10
-5
3 x 10
-5
10
-10

-10
-6
10
-9
-10
-7
10
-8
-10
-7
Sinh vật
Quang hóa, con
người
Sinh vật
Quang hóa , ánh
sang, con người
Quang hóa
Sinh vật
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
8
H
2
H
2
O
2

HO
HO
2
H
2
CO
CS
2
OCS
SO
2
CCl
2
F
2
H
3
CCCl
3
5 x 10
-5
10
-8
-10
-6
10
-13
-10
-10
10

-11
-10
-9
10
-8
-10
-7
10
-9
-10
-8
10
-8
~2 x 10
-8
2.8 x 10
-5
~10
-8
Sinh vật , quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Con người, sinh vật
Con người, sinh vật,
quang hóa
Con người , quang
hóa, núi lửa
Con người

Con người
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
Quang hóa
(Bảng 9.1. Các khí pha loãng trong không khí khô nằm gần mặt đất)
Sự biến thiên áp suất và mật độ theo độ cao
Như bất cứ ai đã có kinh nghiệm với độ cao này cũng biết, mật độ khí quyển giảm
mạnh với độ cao ngày càng tăng do hệ quả của các định luật chất khí và trọng lực. Hơn
99% tổng khối lượng của khí quyển nằm trong vòng khoảng 30 km (khoảng 20 dặm) từ bề
mặt trái đất. So với đường kính của trái đất thì độ cao này là vô cùng nhỏ bé, do đó đây
không là phải một sự phóng đại khi mô tả đặc điểm của bầu khí quyển như là một lớp bảo
vệ “lụa mỏng”. Mặc dù tổng khối lượng của bầu không khí toàn cầu là vô cùng lớn,
khoảng 5.14 x 10
15
tấn, tuy nhiên nó vẫn chỉ bằng một phần triệu tổng khối lượng của trái
đất.
Thực tế là việc giảm áp suất khí quyển theo hàm mũ của độ cao phần lớn là xác định
các đặc tính của khí quyển. Lý tưởng là khi không có sự tham gia của các khí hỗn tạp và ở
9
nhiệt độ tuyệt đối không đổi, T, áp suất ở bất kỳ độ cao nào, P
h
, sẽ được cho dưới dạng
hàm mũ,
P

h
= P
0
e
-Mgh/RT
(9.3.1)
trong đó P
0
là áp suất ở độ cao bằng không (mặt nước biển); M là khối lượng mol trung
bình của không khí (28.97 g/mol trong tầng đối lưu); g là gia tốc của trọng lực (981 cm/s
2
ở
mặt nước biển); h là độ cao so với mặt nước biển đơn vị là cm; và R là hằng số khí (8.314
x 10
7
erg x deg
-1
x mol
-1
). Các đơn vị này được đưa ra trong hệ thống cgs (cm-g-sec) để cho
thống nhất; độ cao có thể chuyển đổi sang m hoặc km cho phù hợp.
Yếu tố RT/Mg được định nghĩa là thang đo chiều cao, đại diện cho sự gia tăng độ cao
khi giảm áp suất với hàm mũ e
-1
. Ở nhiệt độ trung bình của mặt nước biển là 288
0
K, thang
đo chiều cao là 8 x 10
5
cm hoặc 8 km; ở độ cao 8 km, áp suất chỉ vào khoảng 39% ở mực

nước biển.
Sự chuyển đổi của phương trình 9.2.1 sang dạng logarit (cơ số 10) và h sang km được
cho bởi biểu thức sau
Log P
h
= Log P
0
-
RT
xMgh
303.2
10
5
(9.3.2)
và nếu áp suất của mặt nước biển chính xác bằng 1 atm thì sẽ được biểu thức sau:
Log P
h
= -
RT
xMgh
303.2
10
5
(9.3.3)
Đồ thị của P
h
và nhiệt độ tỷ lệ nghịch với độ cao được biểu diễn bằng hình 9.1. Đồ thị
của P
h
là phi tuyến tính bởi vì sự biến thiên phát sinh từ sự biến thiên phi tuyến tính về

nhiệt độ với độ cao sẽ được thảo luận sau trong phần này và trong sự pha trộn của các khối
khí.
Các đặc tính của khí quyển rất khác nhau theo độ cao, thời gian (mùa), vị trí (vĩ độ),
và thậm chí là hoạt động năng lượng mặt trời. Cực trị của nhiệt độ và áp suất được minh
họa trong hình 9.1. Ở độ cao rất cao, các dạng thường phản ứng như là nguyên tử oxygen,
O, tồn tại trong một thời gian dài. Hiện tượng đó xảy ra bởi vì áp suất sẽ rất thấp ở những
độ cao như vậy là các dạng phản ứng sẽ đi một quãng đường khá xa trước khi nó va chạm
với một chất phản ứng tiềm tàng – quãng đường tự do trung bình của nó – là khá cao. Một
hạt với quãng đường tự do trung bình khoảng i x 10-6 cm ở mặt nước biển có quãng đường
10
tự do trung bình lớn hơn rất nhiều so với 1 x 10-6 ở độ cao khoảng 500 km, nơi mà áp suất
thấp hơn nhiều lần.
Hình 9.1. Biến đổi của áp suất (đường đậm) và nhiệt độ (đường gạch) với độ cao.
Sự phân tầng của khí quyển
Khí quyển được phân tầng dựa trên mối quan hệ cơ bản của nhiệt độ và mật độ không
khí do sự ảnh hưởng giữa những quy trình vật lí và quang hóa trong không khí.
Đới thấp nhất của khí quyển kéo dài từ mực nước biển đến đến độ cao từ 10-16 km là
tầng đối lưu, tiêu biểu bởi cấu tạo đồng nhất thông thường của không khí là sự giảm nhiệt
độ với sự tăng độ cao mà nhiệt độ thấp nhất là âm 56
0
C. Cấu tạo đồng nhất của tầng đối
lưu là kết quả của sự hòa hợp không thay đổi của vòng tuần hoàn không khí. Tuy nhiên,
hàm lượng bốc hơi nước của tầng đối lưu là một biến số, bởi vì sự tạo thành mây, mưa và
sự bốc hơi của nước chủ yếu từ nước dưới đất.
11
Nhiệt độ rất lạnh của vùng đỉnh tầng đối lưu là nơi ngưng tụ hơi nước thành băng đến
nỗi nó không thể vươn cao hơn nơi nó sẽ bị quang li bởi sự hoạt động mãnh liệt của sự
phát xạ các tia cực tím năng lượng cao. Nếu điều này xảy ra, khí hydro được tạo ra sẽ thoát
khí quyển của trái đất và biến mất (phần lớn khí hydro và khí heli được tạo ra hiện nay
trong bầu khí quyển trái đất bị mất theo cách này).

Hình 9.2. Sự phân tầng của khí quyển.
Lớp khí quyển đối lập ở ngay trên tầng đối lưu là tầng bình lưu, nơi mà nhiệt độ tăng
lên cao nhất là -2
0
C với sự gia tăng độ cao. Đây là tầng có sự góp mặt của ozone, O
3
, nồng
độ trung bình khoảng 10 ppm. Sự tăng nhiệt độ của tầng này là do sự thu hút năng lượng tử
ngoại của ozone, hiện tượng được thảo luận sau chương này.
Sự không có mặt của hình thái thu hút bức xạ ở tầng trung lưu ngay trên tầng đối lưu
gây ra kết quả là sự giảm nhiệt độ một cách nhanh chóng đến -92
0
C ở độ cao khoảng 85
km. Phía trên tầng trung lưu được gọi là tầng ngoại khí quyển tạo thành từ những phân tử
hay ion có thể bị rò rỉ ra ngoài khí quyển. kéo dài ra xa hơn nữa là thượng tầng khí quyển,
12