BAI GIANG HOA MOI TRUONG NOP SUA CUOI

CHƯƠNG 1
MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG
1.1.Môi trường.
Môi trường là tổng hợp tất cả các thành phần của thế giới vật chất bao quanh,
có ảnh hưởng tới một vật thể hay một sự kiện có khả năng tác động đến sự tồn tại
và phát triển đối với mỗi sinh vật.
Thành phần tự nhiên, môi trường của trái đất bao gồm: khí quyển, thủy
quyển, địa quyển và sinh quyền.
Môi trường của các cơ thể sống là tổng hợp những điều kiện bên ngoài có
ảnh hưởng tới đời sống và sự phát triển của cơ thể sống đó.
Đối với con người, môi trường sống là tổng hợp các điều kiện vật lý, hóa
học, kinh tế, xã hội có ảnh hưởng tới sự sống của từng cá nhân, của cả cộng đồng.
Môi trường sống của con người là cả vũ trụ bao la, trong đó hệ mặt trời và trái đất
có ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt nhất.
Môi trường sống gọi là sinh quyền, nó gồm các thành phần hữu sinh bao
gồm các sinh vật sống như thực vật (chúng có khả năng tạo các chất dinh dưỡng từ
các chất vô cơ đơn giản, đồng thời chúng có khả năng phân giải các chất hữu cơ để
sinh sống và giải phóng các chất vô cơ), các động vật và con người và các thành
phần vô sinh( bao gồm các chất vô cơ có tham gia vào chu trình tiến hóa vật chất
như CO2, H2O, O2, C, N, S, P…và các chất hữu cơ riêng biệt như các gluxit, lipit,
protit, mùn,…, các yếu tố vật lý như nhiệt độ, áp suất, ánh sang, độ ẩm…). Các
thành phần này có quan hệ chặt chẽ và tương tác lẫn nhau rất phức tạp.
Trong sinh quyển, ngoài vật chất, năng lượng còn có thông tin, nó biểu hiện
mức độ phức tạp và phát triển cao nhất là trí tuệ con người điều đó hình thành khái
niệm trí quyển. những thành tựu mới nhất của khoa học và kỹ thuật cho thấy trí
quyển đang thay đổi nhanh chóng với tốc độ vũ bão, phạm vi tác động của nó rất to
lớn và ngày càng mở rộng kể cả trong vũ trụ, ngoài trái đất.

1

Về mặt xã hội, mối quan hệ giữa các cá thể con người với nhau, giữa các gia
đình, họ tộc, giữa các cộng đồng bộ tộc, quốc gia…của các hình thái kinh tế xã hội
có tác động mạnh tới môi trường vật lý và môi trường sinh học.
Khi đánh giá chất lượng môi trường, người ta thường so sánh với chất lượng
môi trường quy chuẩn của từng quốc gia hay của các tổ chức quốc tế. Dựa theo yêu
cầu và mục đích đánh giá chất lượng môi trường mà chia môi trường thành từng
vấn đề sau:
Môi trường vật lý, đất, nước, không khí, sinh vật.
Môi trường sinh thái, kinh tế- xã hội-văn hóa.
Môi trường quan hệ giữa các cá nhân, gia đình, cộng đồng, quốc gia.
Mổi trường xung quanh như lao động, việc làm, ăn ở, sinh hoạt nghỉ ngơi,
giải trí, điều kiện thiên nhiên, xã hội.
-

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.
Hóa học môi trường nghiên cứu các nguồn, các phản ứng, sự vận chuyển,
hiệu ứng và sự tồn tại các chất hóa học trong khí quyển, thủy quyển, địa quyển,
sinh quyển và ảnh hưởng hoạt động của con người đến các quá trình này.
Hóa học môi trường là môn khoa học đa nghành bởi nó mô tả các quá trình
hóa học xảy ra trong môi trường, nhưng các quá trình đó có liên quan chặt chẽ với
nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau như hóa sinh, hóa địa, hóa học về nước, hóa
phân tích, hóa hữu cơ, hóa vô cơ…, vật lý, cũng như các ngành khoa học kỹ thuật
khác như sinh học, địa chất học, y học, khoa học nông nghiệp, công nghiêp…Các
quá trình hóa học xảy ra trong môi trường là một không gian mở, thành phần và
tính chất thay đổi liên tục trong các quá trình hóa học nên rất phức tạp.
Hóa học môi trường khí quyển nghiên cứu về nguồn gốc, quá trình biển đổi
chuyển hóa và hình thành các chất trong khí quyển. Hóa học môi trường thủy
quyển nghiên cứu về nguồn gốc, quá trình vận chuyển, đặc tính và hình thái hóa

học của các chất trong môi trường nước. trong quá trình sinh tồn và phát triển, con
người đã khai thác các tài nguyên trong đất để phục vụ cho cuộc sống của mình,
nhưng đồng thời lại thải vào trái đất nhiều chất thải độc hại làm ô nhiễm môi
2


trường. nghiên cứu quá trình chuyển hóa các chất gây ô nhiễm môi trường vào cơ
thể động vật, thực vật nói chung cũng như con người và tác hại của chúng ra sao
đối với sinh vật, cũng là nhiệm vụ rất quan trọng của hóa học môi trường. Sinh
quyển liên quan tương hỗ với các thành phần của môi trường như khí quyển, thủy
quyển, địa quyển nên sinh quyển không có ranh giới rõ rệt với cả ba thành phần của
môi trường, sự sống chỉ tồn tại và phát triển trong những điều kiện nhất định của
môi trường.
1.3. Ô nhiễm môi trường
Môi trường thiên nhiên bao gồm các yếu tố tự nhiên như vật lý, hóa học, sinh
học, các yếu tố này tồn tại khách quan ngoài ý muốn của con người.
Ô nhiễm môi trường là do những tác động làm thay đổi các thành phần vật
lý, hóa học, sinh học, các năng lượng, các bức xạ… Các thay đổi này tạo nên sự
mất cân bằng trạng thái môi trường, gây ảnh hưởng xấu tới sinh vật và môi trường
tự nhiên bằng con đường trực tiếp thông qua hô hấp, thức ăn, nước uống hoặc gián
tiếp như sự thay đổi khí hậu, sự suy thoái tự nhiên…
Chất gây ô nhiễm môi trường do những chất do điều kiện nào đó (tự nhiên
hay nhân tạo) được đưa vào môi trường một lượng lớn chất gây tác hại cho môi
trường tự nhiên, cho sinh vật và con người. Chất ô nhiễm tự nhiên đó là những chất
được đưa vào môi trường do các hoạt động tự nhiên như cháy rừng, bão, lụt, sự
phun của núi lửa, các chất phóng xa, phấn hoa…Sự ô nhiễm tự nhiên thường không
lớn, có tính cục bộ từng vùng và qua một thời gian môi trường lại tự điều chỉnh
được. Sự ô nhiễm nhân tạo là do các hoạt động của con người gây nên như sản xuất
công, nông nghiêp, giao thông vận tải, sinh hoạt đô thị…Các hoạt động của con
người ngày càng lớn và càng phức tạp nên các chất gây ô nhiễm thải vào môi

trường ngày càng nhiều, vượt quá giới hạn cho phép nên môi trường không tự làm
sạch được, gây ô nhiễm.
Lưu trình vận chuyển các chất gây ô nhiễm môi trường vào con người có thể
tóm tắt theo sơ đồ:
Các chất gây ô nhiễmKhí
có quyển
thể tồn tại trong môi trường ở nhiều hình thái hóa
Động vật
học chất
khácgây
nhau
(vô cơ, hữu cơ,
trạng
thái hóa trị…), mỗi hình thái có độNgười
bền và độc
Thủy
quyển
Các
ô nhiễm
Thực vật

Địa quyển

3


tính khác nhau. Việc xác định hình thái hóa học tồn tại ở các chất ô nhiễm là rất
quan trọng vì có thể đối với cùng một nguyên tố, hình thái này bền hơn hình thái
kia, hình thái này độc hơn hình thái khác. Ví dụ thủy ngân kim loại ít độc, nhưng
hơi thủy ngân kim loại rất độc. Trong các trường hợp chất của thủy ngân thì hợp

chất thủy ngân (I) ít độc, nhưng ở trạng thái thủy ngân (II) rất độc và độc chất là
CH3Hg+.
1.4. Quan trắc và phân tích môi trường
Để đánh giá chất lượng môi trường và tác động độc hại của các chất gây ô
nhiễm môi trường đối với khí hậu và sinh quyển, cần phải quan sát (quan trắc) và
xác định (phân tích) sự thay đổi thành phần của môi trường.
Môi trường là khoảng không gian mở, bao la, vì vậy việc quan trắc và phân
tích môi trường phải được theo dõi thường xuyên, liên tục, có như vậy mới phát
hiện được sự kịp thời sự xuất hiện và nguồn gốc của các chất gây ô nhiễm phát thải
vào môi trường, hàm lượng của chúng là bao nhiêu. Dựa vào tính chất và lượng
chất gây ô nhiễm ta có thể suy đoán sự lan truyền của chúng trong môi trường sinh
thái, khả năng tồn tại, tích tụ, sa lắng theo thời gian, tác động độc hại của chúng đối
với môi trường sống. Từ đó mà có phương hướng và đặt kế hoạch, chống ô nhiễm,
khác phục các hậu quả ô nhiễm để bảo vệ môi trường trong sạch.
Phân tích môi trường là xác định các chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chính
xác mức độ ô nhiễm, như:
Các chỉ tiêu vật lý (nhiệt độ, áp suất, màu, mùi…);
Các chỉ tiêu hóa lý ( độ axít, độ pH, các chất rắn, độ đục…);
Các chỉ tiêu kim loại nặng;
Các chỉ tiêu phi kim gây độc;
Các chất hữu cơ (dầu, mỡ, thuốc bảo vệ thực vật (BVTV), chất kháng sinh,
các chất hoạt động bề mặt…);
Các chỉ tiêu khí, bụi độc hại;
Các chỉ tiêu vi sinh (nấm mốc, vi khuẩn, vi trùng…);
Các chất phóng xạ;
Các sinh vật phù du độc hại, rong rêu.
-

1.5. Con người và môi trường.
4

Cũng như tất cả các sinh vật khác, hoạt động của con người là những quá
trình sinh lý, sinh hóa diễn ra trong các cơ quan chức năng. Trong các hoạt động
sống của mình, con người cần phải đồng hóa các yếu tố của môi trường để tạo dựng
cơ thể, đồng thời đào thải vào môi trường các loại chất thải. Con người thực hiện
quá trình trao đổi chất như hít thở khí trời, uống nước, khai thác các nguồn thức ăn
từ các muối khoáng, các loại động, thực vật sống trên cạn và dưới nước. Con người
còn lấy từ thiên nhiên những nguyên vật liệu để may mặc, chế tạo công cụ lao
động, sử dụng năng lượng thay thế sức lực lao động cơ bắp, tăng hiệu suất hữu ích.
Con người luôn tìm cách khai thác thiên nhiên, mở rộng tầm nhìn và vươn tới vũ
trụ bao la…để không ngừng nâng cao mức sống ngày càng đòi hỏi cao hơn của
mình. Bằng trí tuệ ngày càng phát triển cao của mình, trong hoạt động sống con
người không chỉ đòi hỏi ở thiên nhiên mà còn luôn cải tạo thiên nhiên, biến các
cảnh quan tự nhiên hoang sơ thành những cảnh quan văn hóa và tạo dựng nhiều
điều kiện mới thuận tiện và đầy đủ nhằm thỏa mãn các nhu cầu vật chất và tinh
thần ngày càng cao, ngày càng đa dạng, phong phú của mình.
Song con người không thể thoát khỏi các yếu tố ảnh hưởng của môi trường
tự nhiên và môi trường xã hội. Ngược lại, các hoạt động của con người cũng gây ra
những biến đổi làm suy thoái môi trường và các hệ sinh thái tự nhiên. Các hoạt
động của cong người trong nông, công, lâm, ngư nghiệp, trong giao thông vân tải,
các hoạt động chiến tranh…kể cả các hình hoạt thường ngày, đã thải vào môi
trường biết bao nhiêu loại chất thải: chất thải khí, chất thải lỏng, chất thải phóng
xạ…gây ô nhiễm, có tác hại đến môi trường. Lượng chất thải mà con người thải
vào môi trường ngày một tăng, gây ô nhiễm tràn lan khắp mọi lĩnh vực đất, nước,
kể cả đại dương, bầu khí quyển cả trên độ cao hàng chục ngàn mét….
Ở các nước công nghiệp, đất canh tác ngày càng bị thu hẹp nhường chỗ cho
các khu công nghiêp phát triển như vũ bão. Đất không chỉ mất lớp phủ thực vật do
phá rừng mà còn là nghĩa địa chôn cất các bã phóng xạ, chất thải công nghiệp và
sinh hoạt.

Trên đất nông nghiệp, do thâm canh, chặt phá cũng như đốt rừng lấy đất
trồng trọt nên khí hậu bị biến đổi, đất bị thoái hóa, do dùng phân bón và các chất
5


bảo vệ thực vật để tăng năng suất cây trồng nhưng lại gây ô nhiễm bởi các chất hóa
học.
Nguồn nước sạch, kể cả nước ngầm cũng bị thu hẹp dần và ngày càng bị ô
nhiễm bởi không những do tốc độ khai thác và sử dụng nguồn nước ngày càng lớn,
mà cả do sử dụng các chất hóa học trong sản xuất nên đã gây ô nhiễm các nguồn
nước, chẳng hạn hàm lượng nitrat ( là một trong những chất độc) trong nước ngầm
đã tăng lên 3 lần so với 20-30 năm trước đây.
Biển và đại dương hàng năm nhận trung bình 1.6 triệu tấn dầu rò rỉ từ các tầu
thuyền thải xuống, do tai nạn của các vụ đắm tầu. Đại dương còn là bãi chôn các
chất thải phóng xạ.
Không khí bị ô nhiễm, khí hậu bị thay đổi. Rừng bị khai thác bừa bãi nên
diện tích rừng hàng năm bị thu hẹp dần ( mà rừng là lá chắn bảo vệ đất không bị sói
mòn, tránh lũ lụt, rừng là bộ máy điều hòa và duy trì tỷ lệ CO 2/O2 trong khí quyển,
nền sản xuất công nông nghiệp hàng năm thải vào khí quyển khoảng 1-2 tỷ tấn CO 2
và lượng này cứ tăng lên dần theo tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa và nạn phá
rừng. Lượng khí SOX, CH4, CFC, NOX … thải vào không khí cũng ngày một tăng
gây nên hiện tượng phá hủy tầng ozon, mưa axit và hiệu ứng nhà kính làm tăng
nhiệt độ trái đất và thay đổi khí hậu toàn cầu.
Muốn tăng của cải, nâng cao đời sống vật chất và tinh thần, con người không
ngừng khai thác tài nguyên, phát triển kinh tế, áp dụng các tiến bộ khoa học, công
nghệ để tăng năng suất lao động… song điều đó lại gây nên mâu thuẫn lớn là làm
giảm sút tài nguyên, gây ô nhiễm môi trường, tác động tiêu cực đến cuộc sống. Bởi
vậy con người phải vận dụng tri thức để điều hòa hợp lý hai mặt mâu thuẫn này thì
mới phát triển bền vững.
Môi trường và sự phát triển kinh tế xã hội có quan hệ chặt chẽ với nhau bởi

vì môi trường là điều kiện của sự tồn tại và phát triển của nền kinh tế xã hội, nó
cung cấp tài nguyên cho sự phát triển kinh tế. Sự phát triển kinh tế, giao thông vận
tải, đô thị hóa…cần các tài nguyên thiên nhiên khoáng quạng, dầu mỏ, khí đốt, đất
đai,… để xây dựng đô thị, phát triển công nghiệp hóa học, chế biến thực phẩm, các
loại thuốc bảo vệ thực vật, nhưng phát triển kinh tế làm ô nhiễm môi trường trầm
6


trọng bởi phá rừng để lấy đất, trong sản xuất và sinh hoạt thải vào môi trường các
chất thải độc hại cho các hệ sinh thái, động thực vật. Vì vậy mọi kế hoạch phát triển
kinh tế và xã hội phải gắn chặt với kế hoạch bảo vệ môi trường thì xã hội mới phát
triển bền vững.
1.6. Vấn đề toàn cầu của môi trường
Sự sinh trưởng và phát triển của các sinh vật trong các hệ sinh thái chịu tác
động của rất nhiều yếu tố. Các yếu tố này tác động lên cơ thể sống không như nhau:
Một số nhân tố ảnh hưởng không rõ rệt đến đời sống của các sinh vật như các khí
hiếm có trong khí quyển, rất nhiều nhân tố có ảnh hưởng quyết định đến sự tồn tại
và phát triển của sinh vật ( các nhân tố này gọi là nhân tố sinh thái) như ánh sang,
nhiệt độ, nước, các chất khoáng…
Trong cách nhân tố sinh thái lại chia thành những nhân tố thiết yếu cho đời
sống sinh vật, thiếu nó thì các sinh vật không tồn tại được (gọi là các điều kiện sinh
tồn của sinh vật) bên cạnh độ lại có những yếu tố chỉ có tác động có hại cho sinh
vật.
Các sinh vật tồn tại trên trái đất bị chi phối bởi bốn kiểu môi trường: môi
trường đất, môi trường nước, môi trường không khí, và môi trường các sinh vật
khác.
Những năm gần đây vấn đề bảo vệ môi trường được nhiều quốc gia trên thế
giới đặc biệt quan tâm nhằm bảo vệ và phát triển sự sống trên trái đất một cách bền
vững. Vấn đề môi trường không thể chỉ bó hẹp trong từng quốc gia riêng lẻ mà nó
trở thành vấn đề toàn cầu.

Từ sau hội nghị của liên hợp quốc về môi trường diễn ra vào năm 1972 ở
Stockhom, đặc biệt khi tổ chức môi trường quốc tế công bố chiến lược bảo vệ môi
trường toàn cầu (1980), vấn đề môi trường, bảo vệ môi trường và phát triển bền
vững đã trở thành vấn đề lớn có tính toàn cầu và được mọi người, mọi quốc gia
quan tâm.
Chiến lược bảo vệ môi trường toàn cầu đã nhấn mạnh: Bảo vệ môi trường
không đối lập với phát triển xã hội, bảo vệ bao gồm bảo tồn và sử dụng hợp lý tài
nguyên thiên nhiên nhằm mục đích làm cho xã hội phát triển, nhưng phát triển bền
7


vững để con người có cuộc sống hạnh phúc không chỉ cho thế hệ hôm nay mà cả
cho các thế hệ mai sau. Chiến lược bảo vệ môi trường toàn cầu khẳng định loài
người tồn tại như một bộ phận của thiên nhiên, loài người sẽ không tồn tại hay
không có tương lai nếu thiên nhiên không được bảo vệ. Ngược lại, nếu thiên nhiên
không được bảo vệ thì xã hội loài người không phát triển được, sự nghèo đói và bất
hạnh của hàng tỷ người trên trái đất không được đẩy lùi, giảm bớt.
Vì vậy muốn phát triển thì phải bảo vệ và bảo vệ là để phát triển. Điều đó có
nghĩa là giữa phát triển và bảo vệ có đặc tính phụ thuộc và liên quan chặt trẽ với
nhau, chúng mâu thuẫn mà thống nhất với nhau và được gọi bằng thuật ngữ bảo vệ
môi trường và phát triển bền vững.
“Chiến lược bảo vệ toàn cầu” nhấn mạnh vào ba mục tiêu:
-

Phải duy trì các quá trình sinh thái quan trọng của các hệ nhằm bảo đảm sự

sống.
-

Phải bảo tồn tính đa dạng di truyền.

Phải sử dụng bền vững bất kỳ một loài hoặc một hệ sinh thái nào.

Vào những năm của thập kỷ 80 của thế kỷ XX, tính cấp thiết và phức tạp của
vấn đề bảo vệ môi trường ngày càng rõ rệt và đỏi hỏi con người phải có những
hành động cụ thể. Do đó toàn thế giới đã nhất trí đề ra chiến lược “Cứu lấy trái đất”
nhằm nâng cao cuộc sống của con người, đồng thời bảo toàn được tính đa dạng của
sự sống trên trái đất.
Chiến lược “cứu lấy trái đất” là một chiến lược toàn diện, đã đưa ra chiến
lược đầy đủ, rõ rang và rộng rãi trên toàn thế giới nhằm mục đích tạo ra những thay
đổi trong nhận thức và cách sống hiện nay để xây dựng một xã hội loài người bền
vững.
Các nguyên tắc của chiến lược “cứu lấy trái đất” được tóm tắt như sau:
1. Tôn trọng và quan tâm đến cuộc sống cộng đồng.
Nguyên tắc này nói lên trách nhiệm của con người là phải quan tâm đến
người khác và các hình thức khác của cuộc sống hiện tại và tương lai. Đây là một
nguyên tắc thuộc về đạo đức. Nguyên tắc này đề ra sự phát triển của cá nhân, cộng
đồng, của quốc gia này không được gây ảnh hưởng, làm thiệt hại đến quyền lợi cá
8


nhân, cộng đồng của quốc gia khác và của các thế hệ mai sau. Đây là nguyên tắc
quan trọng nhất trong toàn bộ chiến lược “cứu lấy trái đất”.
2.Cải thiện chất lượng cuộc sống con người.
Mục đích của sự phát triển là nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống con
người. Mỗi dân tộc, mỗi quốc gia đều có những mục đích khác nhau trong chiến
lược phát triển của dân tộc, quốc gia mình và đều nhằm tới mục tiêu cuối cùng là
xây dựng cuộc sống lành mạnh, có một nền giáo dục tốt, có đủ tài nguyên cho cuộc
sống, về mặt chính trị xã hội, con người phải có quyền tự do, xã hội, công bằng,
văn minh, đảm bảo an toàn và không có bạo lực.
3.Bảo vệ sự sống và tính đa dạng sinh học của trái đất.

Sự phát triển phải dựa trên cơ sở bảo vệ và ngược lại. Muốn vậy đòi hỏi các
hoạt động phải hết sức thận trọng, cân nhắc kỹ trước khi hành động để bảo vệ được
cấu trúc, chức năng và tính đa dạng của các hệ thống thiên nhiên trên trái đất mà sự
sống của con người hoàn toàn lệ thuộc vào các hệ thống đó, cụ thể:
Bảo vệ hệ thống nuôi dưỡng sự sống. Hệ thống này là các quá trình sinh thái
được dùng để nuôi dưỡng và bảo tồn sự sống. Điều này có nghĩa là phải điều chỉnh
để tạo được môi trường khí hậu tốt, không khí và nước trong lành, điều hòa dòng
chảy, chu trình vận chuyển các yếu tố cơ bản, kiến tạo và cải tạo đất trồng…làm
cho các hệ thống sinh thái được hồi phục và luôn phát triển.
Bảo vệ tính đa dạng sinh học không những của các loài động vật, thực vật,
các tổ chức sống khác mà còn cả vốn gen di truyền có trong mỗi loài và các dạng
hệ sinh thái khác nhau.
Bảo đảm chắc chắn việc sử dụng bền vững các nguồn tài nguyên tái tạo như
đất, động vật hoang dã, động vật nuôi, rừng, bãi chăn thả, đất trồng, các hệ sinh thái
cá nước ngọt và nước mặn…sử dụng khai thác, nhưng đồng thời phải tái tạo phát
triển, có nghĩa là phải sử dụng bền vững và sử dụng trong phạm vi cho phép để tạo
nguồn tài nguyên có thể phục hồi lại.
-

Để thực hiện được những nhiệm vụ chiến lược trên, đòi hỏi phải vận dụng
những kết quả nghiên cứu của các nghành khoa học trong đó có nghành hóa học
môi trường.
9


CHƯƠNG 2.
HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN

Khí quyển là lớp vỏ khí bao quanh trái đất. Trong khí quyển có khoảng 50
hợp chất hóa học khác nhau, giữa chúng hình thành hàng loạt các phản ứng và nằm

cân bằng với nhau. Càng lên cao áp suất càng giảm, ở độ cao 100km áp suất giảm 1
triệu lần so với áp suất ở mặt đất.
2.1.Các tầng của khí quyển.
Các tầng của khí quyển được chia theo độ cao và các đặc điểm về nhiệt độ,
áp suất

10


Hình 2.1. cấu trúc của khí quyển.
2.1.1.Tầng đối lưu ( tropostphere)
Là tầng nằm sát ngay mặt đất có độ cao từ 0-15 km (dao động từ 8km ở các
đới cực và khoảng 18km ở xích đạo). Các khí trong khí quyển tập trung chủ yếu ở
tầng này (tổng khối lượng khí trong khí quyển khoảng 5,15.10 15 tấn thì ở tầng này
khối lượng chiếm khoảng 4,12.1015). Thành phần của khí trong khí quyển chủ yếu
là N2, O2, CO2 và hơi nước. Khí trong tầng này không đồng nhất về tỷ khối và nhiệt
độ, càng lên cao tỷ khối khí và nhiệt độ càng giảm. Nhiệt độ trong tầng đối lưu thay
đổi từ +40oC tới -50oC. Nhiệt độ ở gần mặt đất nóng do sự phát nhiệt của trái đất, ở
đỉnh tầng đối lưu lạnh hơn cả (-50 oC). Các khí trong tầng này luôn có sự xáo trộn
do sự chênh lệch nhiệt độ ở các vùng khác nhau và do các dòng khí chuyển động
theo cả chiều thẳng đứng lẫn chiều ngang. Thành phần nước trong khí quyển tuân
theo vòng tuần hoàn nước tự nhiên. Về phương diện thành phần, không khí trong
tầng đối lưu tương đối đồng nhất nếu như không có sự ô nhiễm do có sự luân
chuyển thường xuyên của các khối không khí. Các khí ô nhiễm phát thải vào khí
11


quyển do hoạt động tự nhiên và con người cũng dễ dàng bị xáo trộn để pha loãng
hoặc biến đổi trong tầng đối lưu.
Lớp khí ở đỉnh tầng đối lưu (có bề dầy khoảng 1km) là tầng chuyển tiếp giữa

tầng đối lưu ở phía dưới và tầng bình lưu ở phía trên được gọi là tầng tạm dừng, lớp
này được đánh dấu bởi sự nghịch chuyển của sự biến thiên nhiệt độ từ âm sang
dương.
2.1.2. Tầng bình lưu (stratosphere)
Tầng này còn gọi là tầng bình lặng, có độ cao tư 15-50km, nhiệt độ ở tầng
này cũng tăng cùng với sự tăng của độ cao từ -50oC đến -2oC. Sự tăng nhiệt độ ở
tầng này có thể giải thích là do ozon ở đây hấp thụ các tia tử ngoại của ánh sáng
mặt trời và tỏa nhiệt.
O3

+hυ(λ: 200-300nm)

O2 + O +Q

Thành phần chủ yếu của các khí trong tầng này là O 3, O2, N2 và một số gốc
hóa học. Tầng sát với lớp tạm dừng có chiều cao từ 20-30 km so với mặt đất, tầng
này có nồng độ ozon khoảng từ 10-15 ppm được gọi là tầng ozon, tầng này hấp thụ
các tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời. Tầng ozon đóng vai trò cực kỳ quan trọng,
nó có tác dụng như lá chắn bảo vệ cho sự sống trên trái đất, tránh được tác dụng có
hại của các tia tử ngoại do mặt trời chiếu xuống.
Trong tầng bình lưu, các khí ít bị khuấy trộn nên thời gian lưu của các phần
tử hóa học ở vùng này tương đối dài. Nếu như các chất ô nhiễm nào di chuyển
được tới tầng bình lưu thì chúng sẽ gây nhiễm độc lâu hơn nhiều so với ảnh hưởng
của nó ở tầng đối lưu.
2.1.3. Tầng trung quyển (mesosphere).
Tầng này còn gọi là tầng trung gian có độ cao khoảng 50-85km so với mặt
đất. Trong tầng này nhiệt độ giảm dần theo độ cao từ -2 oC đến -90oC. Tầng này
cũng có một lớp tạm dừng ngăn cách với tầng bình lưu, đánh dấu sự biến thiên
nhiệt độ từ dương sang âm. Nguyên nhân có thể do nồng độ các khí trong tầng này
rất loãng nên khả năng hấp thụ các tia sáng mặt trời thấp. Các khí trong tầng này

hấp thụ các tia tử ngoại của bức xạ mặt trời rồi phân ly thành nguyên tử và bị ion
12


hóa, cho nên thành phần các chất chủ yếu trong tầng này là O, O +, O2+, NO+, N2,
e…
2.1.4. Tầng nhiệt quyển (themalsphere).
Tầng này còn được gọi là tầng ion, có độ cao từ 85-100km. Nhiệt độ trong
tầng này lại tăng lên theo độ cao từ -90 oC đến 1200oC. Trong tầng này, do tác dụng
của các bức xạ mặt trời, nhiều phản ứng hóa học xảy ra với các phân tử khí như:
oxi, ozon, nito, oxit nito, hơi nước, CO 2…tạo thành các nguyên tử và các ion O +,
O2+, NO+, e, CO32-, NO2-, NO3-…, nhiều hạt khi hấp thụ các tia tử ngoại xa (có bước
sóng nhỏ hơn 200nm) tạo ra phản xạ sóng điện từ và các ion…
2.1.5. Tầng ngoại quyển (exosphere)
Tầng này còn gọi là tầng điện ly hay tầng ngoài có độ cao trên 800 km. Ở
tầng này có mặt các ion O+ (ở độ cao ≤ 1500 km), He+ (ở độ cao ≤ 1500 km), H+ (ở
độ cao ≥ 1500km). Từ tầng này hàng năm có khoảng vài ngàn tấn hidro tách ra và
đi vào vũ trụ. Cũng từ tầng này các dòng plasma do mặt trời thải ra và một ít bụi vũ
trụ đi vào khí quyển trái đất. Nhiệt độ của tầng này rất cao, khoảng 1700oC.
Khoảng xa hơn nữa (ước chừng khoảng ≥ 1000 km) được gọi là khoảng
không vũ trụ. Giới hạn của khoảng này không xác định được.
2.2. Thành phần của khí quyển.
Khí quyển là môi trường truyền các bức xạ mặt trời vào trái đất. Các bức xạ
mặt trời đi vào khí quyển trái đất thì 24,5% bị khí quyển hấp thụ, 30,5% bị phản xạ
lại vũ trụ bởi các đám mây và bề mặt trái đất, còn 45% truyền tới bề mặt trái đất để
đốt nóng không khí, sưởi ấm bề mặt trái đất, tham gia vào các phản ứng quang hóa,
quang hợp, làm bốc hơi nước và các vi sinh vật hấp thụ.
Thành phần của khí quyển sạch chưa bị ô nhiễm gồm rất nhiều chất, bao
gồm các chất chính sau ( tính theo phần trăm thể tích của không khí): Nito
(78,082), oxi (20,95), hơi nước (0,1-5), Aragon (0,934), khí cacbonic ( 0,035), neon

(1,82.10-3), heli (5,2.10-4), metan (1,6.10-4), NO2 (2.10-6), NH3 (6.10-7), SO2 (2.10-7),
etan (7.10-8), CH3Cl (5.10-8), etylen (2.10-8), CCl4 (1.10-8), FCCl3 (1.10-8), F2CCl2
(1.10-8)… và một số khí ở dạng siêu vết. Khối lượng của 1 mol không khí ở điều
kiện tiêu chuẩn là 28,97. Hàm lượng của các khí có trong không khí thay đổi tùy
13


theo thời gian, vị trí địa lý và kết quả hoạt động của các quá trình tự nhiên (núi lửa,
thiên tai) và nhân tạo. Chẳng hạn do hoạt động công nghiệp mà trong vòng 100
năm nay, lượng CO2 trong khí quyển đã tăng từ 0,029% lên 0,035%...
Ngoài thành phần các khí, trong khí quyển có các cấu tử ở dạng sol khí, bụi
như bụi đất, bụi biển, bụi do hoạt động của núi lửa, bụi phóng xạ, bụi kim loại, oxit
kim loại, phấn hoa, các hạt muối…
2.3. Các phản ứng xảy ra trong khí quyển
Các thành phần trong khí quyển hấp thụ các bức xạ mặt trời nên trong một số
điều kiện nhất định, chúng đã thực hiện phản ứng quang hóa ra nhiều sản phẩm thứ
cấp, đặc biệt là các hợp chất gốc. Các khí trong khí quyển cùng với các sản phẩm
thứ cấp, các hợp chất gốc lại phản ứng hóa học với nhau tạo thành nhiều sản phẩm
khác. Bởi vậy các phản ứng xảy ra trong khí quyển rất phức tạp.
2.3.1. Phản ứng quang hóa trong khí quyển.
Phản ứng quang hóa là phản ứng hóa học khi năng lượng cần thiết cho phản
ứng là do các tia sáng cung cấp.
Các phân tử và nguyên tử chỉ hấp thụ chọn lọc các tia sáng có bước sóng
nhất định. Năng lượng của hạt photon được biểu diễn bằng biểu thức.
E=h.v= h.
c: tốc độ ánh sáng
h: hằng số plank có giá trị bằng 6,626.10-34 Js.
Như vậy những tia sáng có bức sóng càng ngắn thì năng lượng càng lớn.
Khi năng lượng của tia sáng mà nguyên tử hay phân tử hấp thụ được lớn hơn
năng lượng hoạt hóa thì sau khi hấp thụ thì photon, các nguyên tử, phân tử chuyển

lên dạng kích thích, ở trạng thái này nguyên tử hay phân tử dễ dàng tham gia phản
ứng.
Khi năng lượng của các photon lớn hơn năng lượng liên kết giữa các nguyên
tử trong phân tử thì nó có thể phá hủy liên kết giữa các nguyên tử, tạo thành các
14


gốc. Một số các liên kết hóa học đơn giản có năng lượng liên kết bị phá hủy bởi
photon có độ dài sóng (nm) được trình bày trong bảng 2.1
Bảng 2.1 .Năng lượng liên kết hóa học của một số liên kết đơn giản, những liên kết này bị phá
hủy bởi các photon của các tia sáng có độ dài sóng(nm)

Liên kết

Năng lượng liên kết
(kJ/mol)
435
415
390
465
430
365
300
345
160
145
245
300
350

H–H
H–C
H–N
H–O
H – Cl
H – Br
H–I
C–C
N–N
O–O
Cl – Cl
C–N
C–O

Độ dài sóng của photon
λ (nm)
275
288
307
257
278
328
399
347
748
826
489
399
342

Phản ứng quang hóa xảy ra theo các nguyên tắc sau:
Phản ứng quang hóa chỉ xảy ra với các phân tử có khả năng hấp thụ các
photon mà nó gặp.
Mỗi photon được hấp thụ chỉ có thể kích hoạt một phân tử duy nhất.
Cường độ dòng sáng hấp thụ (I A) được xác định bởi hiệu của cường độ dòng
sáng ban đâu (I0) với cường độ dòng sáng khi đi qua lớp khí (I) (hay dung dịch) và
tuân theo định luật hấp thụ quang của Lambert-Beer.
-

IA=I0-I=I0(1-e-klc)
-

Năng lượng của photon được hấp thụ (E=h. ) phải lớn hơn năng lượng liên

kết hóa học thì sinh ra phản ứng phân ly quang hóa, còn nếu lớn hơn năng lượng
hoạt hóa thì chỉ lên trạng thái kích thích (trạng thái kích hoạt).
Phản ứng kích hoạt quang hóa:
+hυ
λ= 300-400nm

15


SO2*(dạng kích hoạt)

SO2

Phản ứng phân ly quang hóa
AB
Ví dụ :

A+ B
O3

NO2

O2 + O
NO + O

HNO2

NO + OH

CH2O

H2 + CO

2.3.2.Phản ứng hóa học xảy ra trong khí quyển
Các phản ứng hóa học xảy ra trong khí quyển khác với các phản ứng hóa học
diễn ra trong phòng thí nghiệm hoặc trong kỹ thuật bởi vì các phản ứng hóa học
trong khí quyển diễn ra trong phạm vi toàn cầu, rất phức tạp, nó diễn ra trong hệ
mở mà phần lớn các chất tham gia phản ứng có sự kết hợp gắn bó với các quá trình
vật lý và sinh học, phản ứng còn có sự tham gia của các gốc được tạo ra từ các
phản ứng quang hóa.
O + O2

O3

O + CO

CO2

O + SO2

SO3

OH + CO

CO2 +H

OH + CH4

CO2 +CH3

OH + NO

HNO2

OH + NO2

HNO3
16


OH + H2S

H2O +HS

OH + NH3

H2O +NH2

OH + COS

CO2 +HS

OH + SO2

HSO3

OH + C2H6

H2O + C2H5

OOH + NO

NO2 + OH

OOH + NO

HONO2

OOH + CO

CO2 + OH

OOH + SO2

SO3 + OH

O3 + NO
NO2 + SO2

NO2 + O2
NO + SO3

Ngoài ra phản ứng hóa học xảy ra trong khí quyển nhiều khi còn có sự tham
giam của xúc tác và các vi sinh vật, gọi là xúc tác sinh học hay xúc tác “sống”.
2.4. Các hợp chất của một số nguyên tố chủ yếu trong khí quyển.
2.4.1. Oxi và các hợp chất quan trọng của oxi trong khí quyển.
2.4.1.1. Oxi
Trong tầng đối lưu, oxi tồn tại ở dạng phân tử (O 2 chiếm 20,95% theo thể
tích của không khí) và trong các oxit ở dạng khí hay bụi như CO 2, H2O, NO, NO2,
SO2, Fe2O3…
Thực vật thực hiện phản ứng quang hợp để tạo ra các hidrat cacbon và cung
cấp oxi cho khí quyển
CO2 + H2O

+hυ
clorophyl

CH2O +O2
17


Trong thủy quyển, oxi là thành phẩn cơ bản của H 2O và khí oxi tan trong
nước.
Trong địa quyển, oxi tác dụng với các kim loại, phi kim tạo thành các khoáng
như Ca3(PO4)2, CaSO4, MnO2, Fe2O3, Al2O3…
Ở tầng bình lưu, O2 rất ít so với tầng đối lưu, bởi vì ở tầng này oxi tham gia

phản ứng quang hóa tạo lên oxi nguyên tử, các gốc ion: O+, O, O2+, O3.
O2

O+O

O3

O2 + O

O

O+ + 1e

O2

O2+ + 1e

2.4.1.2. Ozon (là dạng thù hình của oxi)
Ở tầng đối lưu có rất it ozon, phần lớn do khuyếch tán ở tầng bình lưu xuống,
một phần được tạo thành do phản ứng hóa học. Phản ứng tạo thành và phân hủy
ozon ở tầng đối lưu được trình bày vắn tắt như sau
O + O2
OOH + O3

O3
2O2 +OH

Ở tầng bình lưu có một tầng khí ở độ cao 20-30 km, trong đó nồng độ O 3 lên
tới 10 -15 ppm. Tầng khí này được gọi là tầng ozon. Ozon có khả năng hấp thụ các
bức xạ tử ngoại, chính vì vậy tầng ozon có tác dụng như một lá chắn bảo vệ các

sinh vật trên trái đất khỏi bị các tia cực tím của ánh sáng mặt trời chiếu vào.
Ozon được hình thành bởi phản ứng quang hóa.
O2
O2 + O

O+ O
O3
18


Song song với phản ứng quang hóa tạo ra ozon thì cũng có phản ứng quang
hóa phân ly ozon.
O3

O2 + O

Cơ chế phản ứng phân hủy ozon chưa được giải thích đầy đủ, song người ta
chấp nhận phản ứng phân hủy ozon là do O3 tác dụng với oxi nguyên tử hoạt hóa.
O + O3

O2 +O2

Phản ứng này tăng nhanh khi có mặt chất xúc tác M. Chất xúc tác M có thể
là những gốc có hoạt tính như: NO , H , OH , Cl …
2.4.1.3. Nước.
Nước là hợp phần quan trọng nhất của oxi, nước chỉ hấp thụ các bức xạ có
bước sóng ngắn (λ < 190nm).
H2O

H + OH

Hơi nước khi hấp thụ các photon ở vùng sóng ngắn có thể dẫn tới phản ứng
phân ly quang hóa
H + OH
O +O
OH + OH

H2 + O
O2
H2 + O2

Nhờ phản ứng quang hóa này mà người ta giải thích được việc tạo thành oxi
đầu tiên trong khí quyển.
Sự hình thành gốc hydroxyl (OH ) trong khí quyển sẽ dẫn đến hàng loạt các
phản ứng như:
OH + CO

CO2 + H

OH + RH

H2O + R

19


OH + CO

CO2 + H

OH + O3

O2 + HOO

HOO + NO

NO2 + OH

Do sự phân ly quang hóa của NO2:
NO2

NO + O

Nguyên tử oxi sinh ra dẫn đến việc tạo thành hay phân hủy ozon và tạo ra
các gốc OH
O3

O2 + O

O2 + H2O

2OH

OH + CO

CO2 + H

H + O2

HOO

HOO + NO
HOO + O3

NO2 + OH
2O2 + OH

2.4.2. Nito và các hợp chất khí của nito trong khí quyển.
2.4.2.1. Nito
Nito có cấu tạo phân tử N 2 rất bền vững (E =942KJ/Mol), nito hoạt động hóa
học kém.
Nito chỉ thực hiện phản ứng quang hóa dưới tác dụng của bức xạ sóng ngắn
(λ< 100nm).
N2
N2+ + O2

N2+ + 1e
NO+ + NO
20


NO+ + e

N+ O

N2 chỉ tham gia phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao hay có sự phóng điện:
N2 + O2

Phóng điện

2NO

t0 >30000C

2.4.2.2. Nitơ đioxit
Khí N2O sinh ra do hoạt động của các vi sinh vật. Ở tầng đối lưu N 2O hoạt
động hóa học kém, nhưng khi bị khuếch tán lên tầng bình lưu, ở đó nó bị hấp thụ
các bức xạ có bước sóng ngắn và thực hiện các phản ứng sau:
N2O

NO + N

N2O + O

2NO

N2O + O

N2 + O2

2.4.2.3. Khí NOx
a. Khí NO
Tham gia vào quá trình phân hủy ozon.
NO phản ứng rất chậm với O2:
2NO + O2

2NO2

Nhưng với chất oxi hóa như O3, gốc HOO , ROO thì phản ứng nhanh:
NO + O3

NO2 + O2

HOO + NO

NO2 + OH

OH + NO

HNO2

b.Khí NO2
NO2 bền, chỉ thực hiện phản ứng quang hóa với bức xạ có λ ≤ 395nm
NO2
NO2

+hυ
λ < 395nm
+hυ
λ > 430nm

NO + O2
NO2* (hoạt hóa)
21


Các khí NOx trong khí quyển là các tác nhân làm phân hủy ozon, gây mưa
axit và tạo các khói quang hóa (peroxiaxylnitrat: PAN).
NO + O3

NO2 + O2

NO2 + O3

NO3 + O2

NO2 + O

NO + O2

NO2 + O

NO3*

NO2 + NO3

N2O5

NO + NO3

2NO2

NO + O

NO2

OH + NO2

HNO3

HOO + NO2

HO2NO2

O
R

O

C

+
O

NO 2

R

O

C
O

NO2 + H2O

2HNO3

N2O5 + H2O

2HNO3

O NO 2
(PAN)

+ NO

2.4.3. Các hợp chất của cacbon trong khí quyển.
Các hợp chất của cacbon trong khí quyển chủ yếu là các hợp chất CO 2, CO,
các hidrocacbon ở thể khí. Các hợp chất này chủ yếu là do con người tạo nên.
Trong không khí, nồng độ CO2: 300.000 ppb, CO: 100ppb.

22


Trong không khí sạch có tới 500 hợp chất hidrocacbon có nồng độ khác
nhau, ví dụ như CH4 (1000ppb), C2H6 (0,7ppb), C2H4 (0,09ppb), C3H6 (0,05ppb),
C2H2 (0,09ppb), CH3Cl (0,4ppb) …
Các hidrocacbon trong khí quyển phản ứng với các gốc, chẳng hạn gốc
hydroxyl tạo ra hàng loạt các sản phẩm trung gian. Ví dụ:
2.4.3.1. Phản ứng của hidrocacbon no
CH4 + OH

HCH2 + H2O

HCH2 + O2

HCH2O2 (hợp chất ankylpeoxi)

HCH2O2 + NO

NO2 + HCH2O (Gốc ankoxi)

HCH2O + O2

HCHO + HOO

HCHO + OH

H2O + HCO

HCO + O2

CO + HOO
+hυ

HCHO

λ = 295nm

CO + OH

H + HCO hoặc HCHO

H2 + CO

H + CO2

Ngoài ra còn một cơ chế khác về quá trình oxi hóa ankan bởi O 3, NO, NO2,
và các gốc HCO , HO , O…bằng phản ứng hóa học và quang hóa.
CH4 + O

CH3 + OH

CH4 + OH

CH3 + H2O

CH3 + O2

HCH2O2 (hợp chất ankylpeoxi)

HCH2O2 + NO

NO2 + HCH2O (gốc ankoxi)

Cơ chế tiếp theo lại xảy ra như trên.
2.4.3.2.Phản ứng của hidrocacbon không no
23


R – CH = CH2 + OH

RC H – CH2OH

RC H – CH2OH + O2

RCHO2 – CH2OH

RCHO2 – CH2OH + NO
RCHO – CH2OH

CH2OH + O2

RCHO – CH2OH + NO2

R – CHO

+ CH2OH

HCHO + HOO

Phản ứng của hiđrocacbon không no với gốc OH , ví dụ:
Những hiđrocacbon không no phản ứng với O 3 sẽ phá vỡ liên kết đôi và tạo
vòng, rồi phân li và tạo thành anđêhit
R
R

CH2 CH2 R + O 3

R
CH HC

O

O
O

R

R

O

CH HC
O

R

C

O

+

RCHO O

H

O
O
R CH

O

O

+ NO

R

C

+ NO 2
H

2.4.3.3 . Phản ứng quang hóa của các anđêhit tạo ra PAN.
HCHO

RCO + H

RCHO + OH

RCO + H2O

CH3CO + O2

RCO2O

24


O
R

O

C

+
O

NO 2

O

R

C
O

O NO 2
(PAN)

2.4.3.4.Phản ứng của hiđrocacbon thơm với gốc OH
H
+

OH

OH

OH
+

OH

+

OH

+

C
+

CH2R
+

H

H2 O

CHR
OH

+

H 2O

2.4.4. Các hạt bụi, các ion và các gốc hóa học trong khí quyển.
Trong khí quyển đặc biệt trong tầng đối lưu có tồn tại lượng lớn các hạt bụi.
Trong 1cm3 không khí sạch cũng có tới vài trăm hạt bụi, còn không khí ô nhiễm có
tới hàng chục, hàng trăm ngàn hạt. Bụi có hai loại đó là bụi rắn, bụi sol khí. Kích
thước của các hạt bụi dao động từ 0,1-10µm. Những hạt bụi có kích thước càng nhỏ
thì thời gian lưu của chúng trong khí quyển càng lâu, càng có khả năng bay xa, lan
rộng và xâm nhập vào mọi vị trí cơ thể động vật và người.
Bụi có hai nguồn gốc đó là:
-Nguồn gốc tự nhiên như bụi biển, khói bụi, phấn hoa, tro núi lửa, sương mù…
-Nguồn nhân tạo như bụi kim loại, oxit kim loại, bụi muối, bụi hữu cơ…
Bụi đóng vai trò:
+ Liên kết với các trường điện từ trong khí quyển tạo mây và sương mù.

25