PHẦN 1: HÓA HỌC NƯỚC - Chương 1: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ HÓA NƯỚC

1
PHẦN 1: HÓA HỌC NƯỚC
Chương 1: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ HÓA NƯỚC
1. 1. Nước và tính chất của nước
1.1.1. Thành phần, cấu tạo và tính chất của nước
a. Thành phần, cấu tạo của nước
Nước là một hợp chất hoá học rất đặc biệt, trong đó mỗi nguyên tử hiđro góp một
điện tử vào đôi điện tử dùng chung với nguyên tử oxy để tạo thành liên kết cộng hóa
trị. Trong mỗi phân tử nước có hai nguyên tử hiđro và mộ
t nguyên tử oxy.
H
2
O
2
H
2
O
300
0
C

Hai nguyên tử hiđro liên kết với oxy tạo góc liên kết 105
o
.

Trong nguyên tử oxy, hạt nhân của nó thường có điện tích rất mạnh. Chính vì thế
nó có xu hướng kéo điện tử bật khỏi nguyên tử hiđro nhỏ hơn. Kết quả là chúng có ưu
thế trong mối liên kết cộng hóa trị. Do đó, trong phân tử nước có điện tích dương gần
với nguyên tử hiđro và có điện tích âm gần với nguyên tử oxy.
Hyđro có 3 đồng vị Proti (

1
H), Dơtri (
2
H) và Triti (
3
H). Trong thiên nhiên
1
H

chiếm từ 99,985 ÷ 99,986% tổng số nguyên tử;
2
H chiếm từ 0,0139 ÷ 0,0151% tổng số
nguyên tử; đồng vị
3
H có tính phóng xạ, với chu kỳ bán hủy là 12,4 năm.
Oxy cũng có 6 đồng vị:
14
O,
15
O,
16
O,
17
O,
18
O,
19
O nhưng chỉ có 3 đồng vị thiên
nhiên là
16

O (chiếm 99,759% tổng số nguyên tử), trong khi đó
17
O (chiếm 0,037%) và
18
O

(chiếm 0,037%).
Hiđro được phát hiện vào thế kỷ thứ 16, do nhà giả kim thuật người thụy sỹ là
paraxen (1493-1541). Oxy được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1711 do Karl Wilhem
Scheele do một nhà hóa học người thụy điển (1742-1786).
Nước có M = 18 là nước thường, chiếm 99,8% tổng lượng nước tự nhiên.
Nước có M ≥ 19 là nước nặng, chiếm 0,2% tổng lượng nước tự nhiên.
Hàm lượng các loại nước nặng trong tự nhiên phân bố rất khác nhau. Nguyên
nhân là do hàng loạt các quá trình vật lý, hóa học, sinh học xảy ra khác nhau tạo ra sự
phân bố các đồng vị (H và O) khác nhau.
Nước là một phân tử phân cực, nên các phân tử nước có tính chất hấp dẫn lẫn
nhau nhờ lực hút tĩnh điện. Sự hấp dẫn này tạo nên mối liên kết hiđro, nhờ đó ở nhiệt
độ thường chúng ở trạng thái lỏng. Giữa các nhóm phân tử nước tồn tại xen kẽ với các
phân t
ử nước đơn lẻ: mH
2
O ⇔ (H
2
O)
m
có ΔH < 0.
Giá trị m thay đổi theo nhiệt độ (ở thể hơi m = 1; ở thể rắn m = 5;...).
Ở trạng thái rắn, cấu trúc cơ bản gồm một phân tử nước ở trung tâm và bốn phân
tử xung quanh, tập hợp thành hình dạng tứ diện (hình 1).

2
Sự bền hóa cấu trúc của nước đá không những do có mặt các ion lỗ trống của nó,
mà còn do đưa thêm vào những phân tử tạo được liên kết hiđro với các phân tử nước.
Mặt khác, cấu trúc của nước được làm bền, khi nước còn nằm ở trạng thái lỏng và khi
trộn lẫn nó với chất khác.

b. Một số tính chất của nước
- Nước thường và nước nặng có những tính chất vật lý khác nhau:
Bảng 1. Một số tính chất vật lý của nước

Tính chất vật lý
Nước thường
)(
ΟΗΟΗ
2
16
2
1

Nước nặng
)(
ΟΟΗ
2
16
2
2
D

Tỷ khối (d) ở 277
o

K 1 1,1056
T
o
nóng chảy (
o
K) 273 276,8
T
o
sôi (
o
K) 373 374,42

- Ở áp suất khí quyển là 1 atm, nước đông đặc ở O
o
C, sôi ở 100
o
C, rất cao so với
điểm sôi của các hợp chất tương tự cùng nhóm.
- Nhiệt độ sôi của nước giảm khi áp suất bên ngoài giảm:
Bảng 2. Mối liên hệ giữa nhiệt độ sôi và áp suất của nước thường

Nhiệt độ sôi t
o
C 0 10 20 30 40 50 100
Áp suất P (mmHg) 4,5 9,2 17,5 31,8 55,3 92,5 760

- Nước là một loại dung môi rất tốt, có khả năng hòa tan một số chất rắn, khi nồng
độ chất tan trong nước càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao và nhiệt độ đông đặc của
dung dịch càng thấp.
- Độ hoà tan của các khí vào nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.

- Sức căng bề mặt của nước lớn hơn sức căng bề mặt của các chất lỏng khác.
- N
ước là chất lỏng không có màu, trong suốt, cho ánh sáng và sóng dài đi qua (hấp
thụ ánh sáng sóng ngắn mạnh hơn) giúp cho quá trình quang hợp có thể thực hiện ở độ
sâu trong nước.
- Nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cực đại ở 3,98
o
C (≈ 4
o
C) không phải là điểm
đóng băng, do vậy mà nước đã nở ra khi đóng băng. Tỷ trọng của nước thay đổi theo
nhiệt độ.
Đối với nước tinh khiết sự thay đổi này như sau:

3
Bảng 3. Sự thay đổi tỷ trọng của nước tinh khiết đối với nhiệt độ

t(
o
C) Tỷ trọng (kg/dm
3
) t(
o
C) Tỷ trọng (kg/dm
3
)
0 0,99987 20 0,99828
4 1,00000 25 0,99707
10 0,99973 30 0,99567
15 0,99913 100 0,95838

- Nhiệt bay hơi của nước (540 cal/g) lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất khác, cho
nên nước được sử dụng rộng rãi trong các quá trình truyền nhiệt.
- Nhiệt hòa tan của nước cao hơn các chất lỏng khác (trừ NH
3
) và tạo điều kiện giữ
nhiệt ở điểm kết tinh của nước.
- Nhiệt dung riêng của nước (1cal/g.
o
C) cao hơn của các chất lỏng khác (trừ NH
3
)
nên có thể ổn định nhiệt độ ở các vùng địa lý khác nhau.
- Nước có thể đóng vai trò là một chất khử, chất oxy hoá:
2H
2
O - 4e ⇔ 4H
+
+ O
2
E
0
= - 1,230V
2H
2
O + 2e ⇔ 2OH
-
+ H
2
E
0

= - 0,828V
- Tất cả các quá trình trao đổi chất của tế bào phải thông qua nước, bao gồm: Các
quá trình đồng hoá; các quá trình dị hoá và lên men.
- Nước là trung tâm cuộc sống của vi khuẩn.
1.1.2. Sự hòa tan các chất trong nước
Nước là một dung môi đặc biệt: ở nhiệt độ thường trên bề mặt trái đất, nước là
chất lỏng có khối lượng phân tử nhỏ nhất lại phân cực mạnh, vì vậy có khả năng xâm
nhập hòa tan rất nhi
ều các chất vô cơ, hữu cơ thành dung dịch. Với phân tử nhỏ và
phân cực mạnh, nước cũng có khả năng thấm ướt và phân rã các chất khó tan tạo thành
các hệ phân tán như keo, huyền phù.
a. Sự hòa tan chất rắn trong nước
Nước có thể tạo liên kết hiđro với các chất hòa tan. Các chất hòa tan có thể ở
dạng ion cũng có thể không ở dạng ion. Cả hai loại này đều có thể hòa tan trong nước.
Sự hòa tan bao ch
ủ yếu gồm 2 quá trình: lý học và hoá học (hiđrat hoá).
- Quá trình lý học thường thu nhiệt: ΔΗ
a
> 0.
- Quá trình hiđrát hoá thường toả nhiệt: ΔΗ
b
< 0.
Nhiệt của quá trình hoà tan ΔΗ (là lượng nhiệt toả ra hay thu vào khi hòa tan một
mol chất tan vào nước):
ΔΗ

= ΔΗ
a
+ ΔΗ
b

(1-1)
Nếu ΔΗ

> 0 : thì quá trình hòa tan là thu nhiệt.
Nếu ΔΗ

< 0 : thì quá trình hòa tan là toả nhiệt.
Ví dụ: Hòa tan NaCl vào nước, quá trình có thể chia làm 2 bước:
- Bước 1: Phá vỡ cấu trúc tinh thể của chất tan để tạo thành tiểu phân riêng biệt. Tiếp
đó là phá vỡ lực liên kết liên phân tử giữa các phân tử dung môi để tạo ra các khoảng
trống cho các tiểu phân của chất tan xâm nhập. Trong đa số trường hợp đều thu nhiệt.

4
- Bước 2: Xảy ra tương tác giữa các tiểu phân của chất tan và các phân tử dung môi để
tạo thành dung dịch, tức xảy ra quá trình solvat hóa. Quá trình hòa tan là toả nhiệt.
Nhiệt hoà tan của dung dịch, chính là tổng nhiệt của các giá trị trên.
Tùy quá trình nào chiếm ưu thế mà giá trị ΔH (hiệu ứng nhiệt của phản ứng)

có
thể (+) hoặc (-) hay nói cách khác quá trình hòa tan thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt. Thực tế,
nhiệt hòa tan NaCl trong nước khoảng 3KJ/mol.
Độ hòa tan của một chất là nồng độ bão hòa của dung dịch chứa chất tan đó ở
một nhiệt độ xác định. Độ hoà tan thường được ký hiệu là S (S tính theo mol/l hay g/l).
Dung dịch bão hòa là dung dịch chứa lượng chất tan bằng độ hòa tan của nó tại
một nhiệt độ xác định.
Dung dịch quá bão hòa là dung dịch chứa l
ượng chất tan lớn hơn độ hòa tan của
nó tại một nhiệt độ xác định.

b. Độ hòa tan chất khí trong nước
Sự có mặt của chất khí hoà tan có vai trò rất lớn đối với các đặc tính hoá, sinh
học của nước, đặc biệt là oxy và khí cacbonic.
Sự tồn tại của các chất khí trong nước đã làm biến đổi pH và tính thế oxy hoá
khử (E
h
) của nước, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng của nước.
Sự hòa tan phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ của nước, độ khoáng
hóa của nước và áp suất của chất khí đó.
Xét sự gia tăng độ tan của khí trong dung dịch: giả sử đang xảy ra cân bằng giữa
chất khí và chất lỏng, nghĩa là số phân tử khí thoát ra hoặc tan vào dung dịch với t
ốc
độ bằng nhau. Nếu ta tăng áp suất, số phân tử khí trong một đơn vị thể tích sẽ gia tăng,
khí sẽ tan vào dung dịch với tốc độ lớn hơn tốc độ thoát ra, lúc này nồng độ khí tan
trong dung dịch sẽ tăng cho đến khi một cân bằng mới được thiết lập và dĩ nhiên lúc
này dung dịch sẽ chứa một lượng khí tan nhiều hơn. Sự phụ thuộc độ hòa tan của chất
khí và áp suất riêng phần của khí đó trên mặt nước tuân theo định luật Henry:
Độ hoà tan của một chất khí trong chất lỏng ở một nhiệt độ không đổi tỷ lệ thuận
với áp suất riêng phần của khí đó tác dụng lên chất lỏng.
Gọi S
i
(mg/l) là độ hòa tan của khí i:
S
i
= k.P
i
(1-2)

k : hằng số Henry, phụ thuộc vào bản chất của chất khí và nhiệt độ.
Bảng 4. Sự phụ thuộc của hằng số Henry (k) vào nhiệt độ

k
Nhiệt độ (
o
K)
O
2
(× 10
-5
) CO
2
(× 10
-5
) H
2
S (× 10
-5
)
273 67,45 3349,51 6825,24
275 63,48 3000,97 6397,08
277 60,52 2788,34 5998,05
279 57,47 2602,91 5626,21
291 43,83 1736,89 3966,99
298 38,76 1407,76 3332,03

5
Định luật Henry chỉ đúng trong trường hợp khí tan không phản ứng với dung
môi, ví dụ: đúng với trường hợp khí O
2
tan trong nước, nhưng không đúng với trường

hợp HCl tan trong nước vì ở đây xảy ra sự phân ly của HCl.
Ví dụ: Xác định độ hoà tan (S) của O
2
ở 279
o
K dưới áp suất p = 0,2163.10
5
N/m
2
.
Tra bảng 4 ta được: k = 57,47.10
-5

S = 57,47.10
-5
. 0,2163.10
5
≈ 12,43 mg/l.
Độ hòa tan các chất khí trong nước tăng khi nhiệt độ nước giảm.
Chất khí là hợp chất có độ hòa tan lớn hơn chất khí là đơn chất do các phân tử
hợp chất thường là phân tử phân cực.
Thông thường khi độ khoáng của nước tăng lên thì độ hòa tan của các khí giảm.
Độ hòa tan của O
2
sẽ giảm 25% khi tăng lượng muối hòa tan trong nước tới 40 gam.
c. Độ hòa tan chất lỏng trong nước
Chất có cùng bản chất phân cực hòa tan tốt vào nhau, mà sự phân cực của một
chất được xác định bởi cấu trúc của nó (dạng lai hoá, sự tương tác giữa các electron ở
lớp vỏ điện tử,...). Do đó, giữa cấu trúc và độ tan có một mối quan hệ xác định.
Thông thường các chất lỏng phân c

ực thường dễ hòa tan trong nước; Các chất
hữu cơ thường khó hòa tan trong nước.
1.1.3. Định luật tác dụng khối lượng
a. Tốc độ phản ứng
Trong quá trình phản ứng nồng độ các chất phản ứng giảm dần còn nồng độ các
chất sản phẩm tăng dần. Phản ứng xảy ra càng nhanh thì trong một đơn vị thời gian thì
nồng độ các chất phản ứng giả
m xuống và nồng độ các chất sản phẩm tăng lên càng
nhiều. Như vậy, có thể dùng độ biến thiên nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng
theo thời gian để làm thước đo tốc độ phản ứng.
Tốc độ phản ứng là đại lượng đặc trưng cho diễn biến nhanh hay chậm của một
phản ứng. Nó được đo bằng độ bi
ến thiên nồng độ của các chất phản ứng hay sản
phẩm phản ứng trong một đơn vị thời gian.
Xét phản ứng: A = M + N
Tốc độ trung bình của chất A:
12 12
21 12
CC CC C
v
tt tt t
−
− −Δ
=± =− =−
− −Δ

:v
−
vận tốc trung bình trong khoảng thời gian từ t
1

đến t
2
;
ΔC: sự biến thiên nồng độ mol của chất khảo sát từ C
1
đến C
2
.
Khi Δt → 0 thì v tức thời là:
dC
v
dt
−
=±

Tổng quát: aA + bB ⇔ cC + dD thì tốc độ phản ứng:
dt
dC
BAKV
ba
−== ][][

b. Hằng số cân bằng
Cân bằng hoá học là trạng thái của một quá trình thuận nghịch khi vận tốc của
phản ứng thuận bằng vận tốc của phản ứng nghịch và do đó nồng độ các chất không
biến đổi nữa.

6
Xét phản ứng cân bằng:
A

(K)
+ B
(K)
C
(K)
+ D
(K)
k
1
k
2

Gọi k
1
và k
2
lần lượt là hằng số vận tốc của phản ứng thuận và nghịch. Giả sử
phản ứng thuận cũng như phản ứng nghịch đều thuộc loại đơn giản (nghĩa là phản ứng
chỉ xảy ra trong một giai đoạn, bậc phản ứng riêng phần của mỗi chất bằng hệ số tỉ
lượng nguyên tối giản đứ
ng trước mỗi chất trong phản ứng).
Thực nghiệm cho thấy, với phản ứng đồng thể thì: vận tốc của phản ứng tỷ lệ
thuận với tích nồng độ các chất tham gia.
Vận tốc phản ứng thuận là: v
1
= k
1
[A][B]
Vận tốc phản ứng nghịch là: v
2

= k
2
[C][D]
Giả sử lúc bắt đầu phản ứng, chỉ có A, B hiện diện. Vận tốc phản ứng thuận v
1

lúc đầu rất lớn, vận tốc phản ứng nghịch v
2
bằng không. Phản ứng càng xảy ra lâu,
nồng độ các chất A, B càng giảm , nồng độ các sản phẩm C, D càng tăng.
Như vậy, v
1
giảm dần theo thời gian, còn v
2
tăng dần theo thời gian. Sau một thời
gian vận tốc phản ứng thuận v
1
sẽ bằng vận tốc phản ứng nghịch v
2
, lúc này phản ứng
đạt trạng thái cân bằng:
v
1
= v
2
⇔ k
1
[A][B] = k
2
[C][D]

k
1
k
2
K
C

= =
[C][D]
[A][B]

Vì k
1
và k
2
là các hằng số vận tốc phản ứng, chỉ tùy thuộc nhiệt độ (và tùy thuộc
bản chất của phản ứng), cho nên ứng với một nhiệt độ xác định (và một phản ứng xác
định), ta có:

k
1
k
2
K
C

= =
[C][D]
[A][B]

CB

CB: cân bằng, chỉ nồng độ các chất C, D, A, B lúc đạt trạng thái cân bằng.
K
C
được gọi là hằng số cân bằng của phản ứng liên hệ đến nồng độ (mol/l). K
c
chỉ
phụ thuộc nhiệt độ và bản chất của phản ứng, mà không phụ thuộc vào nồng độ các chất
trong phản ứng.
Tổng quát: mA + nB ⇔ pC + qD

k
1
k
2
K
C

= =
[C]
p
[D]
q
[A]
m
[B]
n

k

1
, k
2
: đặc trưng cho hằng số tốc độ của phản ứng thuận nghịch, chỉ phụ thuộc
vào bản chất phản ứng và nhiệt độ.
Với [A], [B], [C], [D] là nồng độ của A, B, C, D lúc cân bằng.
K
c
: hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc vào bản chất hệ phản ứng và nhiệt độ.
c. Hằng số điện ly
Sự điện ly của chất điện ly yếu là một quá trình thuận nghịch nên ta có thể áp
dụng định luật tác dụng khối lượng.
Giả sử có cân bằng: HA ⇔ H
+
+ A
-

(1-3)

7
Ta có:
][
][][
HA
AH
−+
=Κ

[H
+

], [A
-
]: nồng độ mol
Hằng số cân bằng K gọi là hằng số điện ly hoặc hằng số ion hóa, đặc trưng cho
khả năng điện ly của một chất; K càng lớn thì sự điện ly càng mạnh, chất điện ly phân
ly ra các ion càng nhiều và ngược lại. K phụ thuộc vào bản chất của chất điện ly, dung
môi và nhiệt độ.
d. Tích số hòa tan
Giả sử có chấ
t điện li ít tan A
n
B
m
trong nước có cân bằng:
A
n
B
m
⇔ A
m+
+ B
n-

(chất rắn) (trong dung dịch)
Quá trình thuận nghịch đạt trạng thái cân bằng, ta có dung dịch bão hòa chất điện
ly ít tan. Áp dụng định luật tác dụng khối lượng vào cân bằng dị thể ta có:
.
mn
nm
nn

AB
A B
Taa
+ −
=

Như vậy, trong dung dịch bão hòa chất điện ly ít tan tích số hoạt độ các ion với
số mũ tương ứng là một hằng số, hằng số này có tên là tích số tan.
Vì chất điện ly khó tan có nồng độ rất nhỏ, nên đa số trường hợp có thể coi hoạt
độ bằng nồng độ, khi đó biểu thức tích số tan có dạng đơn giản:
[][]
nm
mn nm
AB
TAB
+−
=

Giá trị T càng bé thì chất điện li càng ít tan và ngược lại.
Giá trị T là một hằng số xác định ở một nhiệt độ xác định.
Tích số tan là hằng số cân bằng, độ lớn của nó chỉ phụ thuộc vào bản chất chất
tan, nhiệt độ.
Tích số tan có liên hệ chặt chẽ với độ tan S (biểu thị bằng nồng độ mol) của chất
điện ly ít tan.
..
nm
mn mn
AB
TmnS
+

=

Bảng 5. Tích số tan của một số hợp chất điện ly ít tan (T) ở 20
o
C

Chất điện ly T Chất điện ly T
AgCl 2,8.10
-10
BaSO
4
1,5.10
-9

AgBr 5.10
-13
BaCO
3
1,6.10
-9

AgI 8,5.10
-17
BaCrO
4
1,2.10
-10

Ag
2

S 1.10
-50
Al(OH)
3
5.10
-33

Ag
2
CrO
4
1,9.10
-12
Cr(OH)
3
7.10
-31

AgCNS 1.10
-12
CaSO
4
2,4.10
-5

ZnS 1.10
-20
PbS 4.10
-26

(1-4)
(1-5)
(1-7)
(1-6)

8
1.1.4. Hoạt độ các ion trong dung dịch
a. Khái niệm về hoạt độ
Hoạt độ là nồng độ hiệu dụng của các ion trong dung dịch.
Biểu thức: a = f.C (1-8)
Trong đó: C: là nồng độ thực
a: là hoạt độ.
f : là hệ số hoạt độ.
- Với dung dịch loãng chất điện ly yếu, tương tác các ion không đáng kể:
f = 1, a = C.
- Với dung dịch chất điện ly mạnh hoặc dung dịch
đậm đặc của chất điện ly yếu:
0 < f < 1 và a < C.
Thực tế cho thấy nồng độ các ion trong dung dịch càng lớn thì sự tương tác
tương hỗ giữa chúng càng mạnh, sự khác nhau giữa a và C càng lớn, f càng nhỏ và
ngược lại.
Trong nước tự nhiên, nồng độ các ion thường rất nhỏ (< 200 mg/l) nên sự khác
nhau giữa a và C thường không lớn. Nhưng với nước có độ khoáng hóa rất cao
(>500mg/l) thì sự khác nhau giữa a và C lại là lớn.
b.
Cách tính hệ số hoạt độ
*
Tính lực ion:
Lực ion đặc trưng cho cường độ trường lực chung của các ion trong dung dịch.

Nhằm đánh giá tác động tĩnh điện của các ion trong dung dịch.
Ký hiệu: μ
Lực ion μ được tính theo công thức:
22 2
11 2 2
1
11
( ...
22
n
ii
i
CZ CZ CZ
μ
=
=++=
∑
(1-9)
Trong đó C
i
: nồng độ thứ i và Z
i
: điện tích của nó.
Vì điện tích của các ion là không đổi, hàm lượng các ion trong nước thường được
tính bằng mg/l nên người ta có thể chuyển đổi công thức trên bằng công thức:
)...(
2
1
2211 nn
KCKCKC +++=

μ
(1-10)
C
1
, C
2
, … C
n
: nồng độ mỗi loại ion (mg/l).
K
1
, K
2
, …K
n
: hệ số tỷ lệ chuyển đổi được tính sẵn.
Bảng 6. Giá trị hệ số tỷ lệ chuyển đổi K


Ion K Ion K
K
+
0,026.10
-3
NO
3
-
0,016.10
-3

Na
+
0,043.10
-3
HCO
3
-
0,016.10
-3

Ca
2+
0,10.10
-3
Cl
-
0,028.10
-3


9
*
Tính hệ số hoạt độ:
Trong thực tế chỉ có thể xác định hệ số hoạt độ trung bình
±
f
. Chẳng hạn với
chất điện ly A
m
B

n
:
)(
.
nm
nm
fff
+
−+±
=
(1-11)
Công thức thực nghiệm tính hệ số hoạt độ f phụ thuộc vào giá trị của μ ở 298
o
K
như sau:
- Với dung dịch có lực ion μ ≤ 0,01, hệ số hoạt độ f tính theo công thức:
μ
2
.5,0lg Ζ−=f
(1-12)
- Với dung dịch có lực ion 0,01 < μ ≤ 0,5 thì hệ số hoạt độ f được tính theo công thức:
μ
μ
+
Ζ
−=
1
.5,0
lg
2

f
(1-13)
- Với dung dịch có lực ion μ > 0,5 thì hệ số hoạt độ f được tính theo công thức:
A
r
f +
+
Ζ
−=
μ
μ
.10.33,01
.5,0
lg
8
2
(1-14)
r : bán kính ion ngậm nước tính theo cm.
Chú ý: Một số ion có bán kính ngậm nước vào khoảng 3.10
-8
cm, thí dụ OH
-
, F
-
, Cl
-
,
Br
-
, I

-
, NH
4
+
, Ag
+
,…; r ≈ 4.10
-8
cm cho: Na
+
, H
2
PO
4
-
, Pb
2+
, SO
4
2-
, PO
4
3-
,...
Một số ion ngậm nước khác có bán kính to lớn, đặc biệt ion H
+
ngậm nước có
bán kính rất lớn: 9.10
-8
cm.

A: hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào bản chất của chất điện ly và dung môi.
Bảng 7. Giá trị hệ số hoạt độ f theo μ và điện tích ion Z

Hệ số hoạt độ f
μ
Z = 1 Z = 2 Z = 3
0,000 1,00 1,00 1,00
0,001 0,96 0,87 0,72
0,002 0,95 0,81 0,63
0,003 0,92 0,72 0,48
0,010 0,9 0,63 0,35
Từ bảng giá trị trên cho thấy: lực ion càng lớn và ion có điện tích càng lớn, thì hệ
số hoạt độ f càng nhỏ, tức là sự khác giữa nồng độ và hoạt độ càng lớn. Còn khi lực
ion nhỏ, với các ion có điện tích thấp, thì f ≈ 1.
Một số ví dụ
Ví dụ 1: Xác định lực ion μ của dung dịch hỗn hợp HCl 0,1M và CaCl
2
0,2M.
Giải:
HCl và CaCl
2
trong dung dịch coi
α
= 1.

10
HCl = H
+
+ Cl
-

CaCl
2
= Ca
2+
+ 2Cl
-

[H
+
] = 0,1M; [Ca
2+
] = 0,2M; [Cl
-
] = 0,1 + 0,4 = 0,5M.
7,0)2.2,01.5,01.1,0(
2
1
222
=++=
μ

Ví dụ 2: Tính hoạt độ của các ion K
+
và Cl
-
trong dung dịch KCl 0,01M.
Giải:
KCl = K
+

+ Cl
-
Lực ion
μ
của dung dịch:
01,0)1.01,01.01,0(
2
1
22
=+=
μ
→
1,0=
μ

Hệ số hoạt độ của các ion:

Mff
ClK
05,01,0.1.5,0lglg
2
−=−==
−+

Mff
ClK
9,01,0.1.5,0
2
≈−==
−+

Hoạt độ của các ion:
Maa
ClK
3
10.901,0.9,0
−
===
−+

Ví dụ 3: Tính hoạt độ của những ion trong dung dịch hỗn hợp: KCl 10
-3
M và MgSO
4
10
-3
M.
Giải:
Lực ion
μ
của dung dịch:
33232322
10.5)10.210.210.1310.1(
2
1
−−−−
=+++−=
μ
→
2

10.7
−
=
μ

Hệ số hoạt độ của các ion:
Mff
ClK
035,007,0.1.5,0lglg
2
−=−==
−+
→
M920ff
ClK
,==
−+

Mff
SO
Mg
14,007,0.2.5,0lglg
2
2
4
2
−=−==
−
+
→

Mff
SO
Mg
72,0
2
4
2
==
−
+

Maa
ClK
43
10.2,910.92,0
−−
===
−+
;
Maa
SO
Mg
4
10.2,7
2
4
2
−
==
−

+

Ví dụ 4: Trong 1 lít dung dịch CaCO
3
bão hoà có chứa 0,292 gam Mg
2+
và 0,851 gam
Cl
-
thì hàm lượng CO
3
2-
( tính theo hoạt độ ) là bao nhiêu ? Biết
.10.6,3
9
3
−
=Τ
CaCO

Giải:
CaCO
3
hoà tan theo phương trình:
CaCO
3
⇔ Ca
2+
+ CO
3

2-

].[]..[.
2
3
2
2
3
22
3
2
3
−+
−+−+
==Τ COfCafaa
COCaCOCa
CaCO

Trong dung dịch:
][][
2
3
2 −+
= COCa
→
fff
COCa
==
−+ 2
3

2


11
nên ta có:
222
3
.][
3
fCO
CaCO
−
=Τ

→
fff
CO
5
2
9
2
2
3
10.610.6,3
][
−−
−
==
Τ
=

Vì
3
CaCO
Τ
rất nhỏ nên nồng độ các ion Ca
2+
và CO
3
2-
rất nhỏ. Khi tính μ trong
trường hợp này có thể bỏ qua các ion Ca
2+
và CO
3
2-
mà chỉ quan tâm tới 2 ion Mg
2+
và
Cl
-
.

Μ≈==Μ
+
012,0
24
292,0
292,0][
2

gamg


Μ≈==
−
024,0
5,35
851,0
851,0][ gamCl

036,0)1.024,02.012,0(
2
1
22
=+=
μ

036,01
036,02.5,0
lg
2
+
−=f
⇒
48,0=f

lmg
f
CO /5,710.5,12
48,0

10.610.6
][
5
55
2
3
=Μ===
−
−−
−

1.2. Nước thiên nhiên
1.2.1. Giới thiệu chung
Nước thiên nhiên chiếm 1% tổng lượng nước trên trái đất, bao gồm các loại nước
có nguồn gốc thiên nhiên như nước sông, ao, hồ, suối, biển, đại dương. Có thể nói
nước thiên nhiên là một hệ dị thể nhiều thành phần, vì nước thiên nhiên luôn chứa
những lượng các chất tan và không tan có nguồn gốc từ vô cơ và hữu cơ.



Tổng trữ lượng nước tự nhiên trên Trái đất khoảng từ 1.385.985.000 km
3
đến
1.457.802.450 km
3
. Nước tự nhiên tập trung phần lớn ở biển và đại dương (trên
97,61%), sau đó là các khối băng ở cực (1,83%), rồi đến nước ngầm (0,54%). Nước

12
ngọt tầng mặt chiếm một tỉ lệ không đáng kể (0,02%),... Lượng nước trong khí quyển

chiếm khoảng 0,001%, trong sinh quyển 0,002%.
Nước cần cho nhu cầu sống của mọi cơ thể và chiếm tới 80 - 90% trọng lượng
sinh vật sống trong môi trường nước và 44% trọng lượng cơ thể con người. Nước đáp
ứng các yêu cầu đa dạng của con người: tưới tiêu cho nông nghiệp, sản xuất công
nghi
ệp, tạo ra điện năng và tô thêm vẻ đẹp cho cảnh quan.
Hằng năm có khoảng 5 triệu km
3
nước bay hơi từ đất và các nguồn nước mặt
(sông, hồ, đại dương,...) sau đó ngưng tụ và mưa xuống, lượng nước do khối nước trên
bay hơi hấp thụ xấp xỉ gần 3.10
20
kcal/năm.
Bảng 8. Thể tích các nguồn nước tự nhiên trên thế giới

Nguồn nước

Thể tích, 1000 km
3

%

Đại dương 1.348.000 97,312
Băng 29.000 2,093
Nước ngầm 8.000 0,577
Hồ, sông suối 200 0,014
Nước chảy tràn mặt đất 40 0,003
Tổng cộng 1.385.240 100
Lượng nước ngọt được con người sử dụng có nguồn gốc ban đầu là nước mưa
ước chừng 105.000 km

3
, trong đó khoảng 1/3 chảy ra sông, còn lại 2/3 quay trở lại khí
quyển do bốc hơi bề mặt và thoát hơi nước ở thực vật. Nếu xem 1/3 lượng nước mưa
kể trên (khoảng 40.000 km
3
) là nguồn nước cung cấp tiềm năng cho con người thì với
số dân hiện tại, mỗi người mỗi ngày nhận được trung bình 16 lít nước.
1.2.2. Các quá trình hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên

a. Khái niệm chung về sự hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên

Sự hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên phụ thuộc vào điều kiện
hình thành, quá trình di chuyển của nó, thành phần và các đặc tính hóa học của các
chất mà nó tiếp xúc. Bao gồm các quá trình chủ yếu sau:
- Quá trình hoá học (hoà tan, hấp thụ, oxy hóa khử,…).
- Quá trình sinh hóa (quang hợp, phân giải,…).
- Quá trình vật lý (bốc hơi, đóng băng, mưa, tan băng,…).
Sự tác dụng tương hỗ của nước với môi trường xung quanh có thể làm tăng hàm
lượng các chất trong n
ước, có thể làm giảm hàm lượng các chất trong nước và cũng có
thể thay đổi thành phần hóa học của nước thiên nhiên.
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành thành phần hóa học của nước
thiên nhiên
*
Ảnh hưởng do quá trình phong hóa của đá:
Các tính toán của các nhà địa chất cho thấy: trọng lượng các nhóm đá trong vỏ trái
đất có tỷ lệ phân bố: macma 65%, biến chất (mentamorphic) 25% và trầm tích 10%.
Đá macma gồm hai loại: đá xâm nhập và đá phún xuất có xuất xứ từ quá trình
hoạt động của núi lửa.

13
Đá trầm tích là kết quả tác động của những cấu tử (có thành phần trong khí quyển
hoặc thủy quyển) lên bề mặt vỏ trái đất và là kết quả của quá trình lắng. Những đá
trầm tích quan trọng là nham thạch, cát và đá vôi.


Đá mentamorphic được tạo thành từ đá macma và đá trầm tích do tác động của
áp suất và nhiệt độ cao. Trong đó xảy ra các quá trình hóa học và vật lý là những quá
trình dẫn tới những khoáng bền nhiệt và có tỷ trọng đặc biệt.
Quá trình phong hoá của đá bao gồm:
- Phong hóa vật lý
- Phong hóa sinh học
- Phong hoá hoá học
Những quá trình phong hoá hóa học tương đối đơn giản xảy ra như: Quá trình
hoà tan chất kết tinh, quá trình phong hoá do CO
2
, quá trình thuỷ phân, quá trình
phong hoá oxy hoá khử.
Kết quả của các quá trình phong hóa đá: sản phẩm được hoà tan trong nước và bị
cuốn trôi theo dòng chảy và làm cho thành phần hóa học của nước thay đổi. Tuy nhiên,
trong quá trình di chuyển trong nước, tính di động của các nguyên tố rất khác nhau:
- Các chất di động mạnh: Cl, Br, I, S
- Các chất dễ di động: Na, K, Mg, Ca
- Các chất ít di động: SiO
2
, P, Mn
- Các chất di động rất yếu: Fe, Al, Ti
Do tính di động này mà ta thấy nước biển tập trung các chất có tính di động mạnh
nhất như Na
+

, Cl
-
chiếm ưu thế.
*
Ảnh hưởng của nước khi tiếp xúc với đất:
Thành phần hóa học của đất phụ thuộc vào từng loại đất và vị trí loại đất đó tồn
tại.
Nước trong đất lưu thông nhờ những rãnh nhỏ với đường kính trên 10 μm. Khi
nước thấm qua các loại đất khác nhau thì sự thay đổi thành phần hóa học của nước
cũng khác nhau.

14
Nước khi tiếp xúc lâu dài với đất, ngoài khả năng hòa tan các chất trong đất còn
có khả năng trao đổi chất với đất và như vậy cũng làm thay đổi thành phần hoá học
của nước. Cụ thể:
- Đất hấp phụ các cation của nước: Đất là một hệ keo, các hạt keo đều mang điện
tích âm. Vì vậy keo đất có khả năng hấp phụ các cation của nước rất mạnh.
- Đất có kh
ả năng trao đổi các ion với nước: Khi hàm lượng một loại cation nào đó
của nước khá cao thì có thể trao đổi với cation khác trong đất.
*
Ảnh hưởng của chất hữu cơ:
Chất hữu cơ trong nước được hiểu là tàn tích hữu cơ đang phân hủy, tồn tại trong
nước ở cả hai dạng hòa tan và lơ lửng, không bao gồm sinh vật sống, trừ sinh vật có
kích thước rất nhỏ như vi sinh vật và tảo đơn bào, cũng không bao gồm các tàn tích
hữu cơ thô, có kích thước đủ lớn, có thể lấy ra khỏi nước.
Các chất h
ữu cơ sống và các sản vật mà nó sinh ra trong quá trình sống có ảnh
hưởng rất lớn đến thành phần hóa học của nước tự nhiên.
*

Ảnh hưởng của khí hậu:
Khí hậu có thể làm thay đổi các quá trình phong hóa; thay đổi hoạt động sống của
các vi sinh vật; thay đổi quá trình oxy hóa khử trong nước…
*
Ảnh hưởng của nước ngầm:
Nước ngầm tiếp xúc với nham thạch nhiều nhất, nên thành phần hóa học của
nước ngầm chủ yếu phụ thuộc vào tầng nham thạch và đất chứa nó.
Thành phần hóa học và độ khoáng hóa của nước ngầm tầng sâu biến đổi theo
mùa ít hơn nước mặt. Nước ngầm ở dưới sâu có thể hầu như không chứa chất hữu cơ
và vi khu
ẩn. Tuy nhiên, khả năng ô nhiễm các nguyên tố vi lượng trong nước ngầm
cao hơn nước mặt, điển hình là ô nhiễm Fe, Mn, As, F
-
, Br
-
, S
2-
,…
1.2.3. Thể khí hòa tan và nồng độ ion hyđro (H
+
)

Nói chung các chất khí trong khí quyển đều có mặt trong nước do kết quả của hai
quá trình cơ bản là khuếch tán và đối lưu.
Có nhiều loại khí hòa tan trong nước và có ảnh hưởng tới thành phần hóa học của
nước. Chúng ta nghiên cứu một số khí chủ yếu hòa tan trong nước.
a. Khí oxy

Oxy là loại khí ít hòa tan trong nước và không tác dụng với nước về mặt hóa học.
Oxy hòa tan trong nước ở dạng phân tử tự do gọi là lượng oxy hòa tan, viết tắt là

DO (Dissolved Oxygen). Oxy hòa tan trong nước là điều kiện chủ yếu cho sự tồn tại
của nhiều chất hữu cơ sống trong nước và nhiều quá trình hóa học khác nhau xảy ra
trong nước.
Một số quy luật về sự hòa tan oxy từ pha khí vào nước:
- Có hai nhóm chủ yếu có tác d
ụng làm giàu oxy trong nước: oxy trong không khí
hòa tan vào nước và oxy được tạo ra do quá trình quang hợp.
- Các nguồn chủ yếu làm giảm oxy hòa tan trong nước: oxy cần oxy hoá các chất vô
cơ, hữu cơ có trong nước; oxy cần cho sinh vật sống sử dụng để hô hấp; oxy bị giải
hấp khỏi nước.

15
- Trong nước, oxy tham gia chủ yếu vào các quá trình: Oxy hóa các chất hữu cơ bằng vi
sinh vật, oxy hoá các chất nitơ bằng vi sinh vật và oxy hoá các chất hóa học khác.
- Ở nhiệt độ nhất định, nồng độ bão hòa của oxy trong nước chỉ phụ thuộc vào áp
suất riêng phần của oxy trong pha khí (tuân theo biểu thức định luật Henry).
- Khi nhiệt độ càng tăng, nồng độ muối tăng, quá trình hô hấp tăng dẫn đến độ hòa
tan của oxy càng giảm.
Bảng 9. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hòa tan của oxy trong nước

t
o
C Nồng độ bão hòa (mgO
2
/l) t
o
C Nồng độ bão hòa (mgO
2
/l)
0 14,65 20 8,84

10 11,00 30 7,29
- Hàm lượng oxy hòa tan giảm dần theo chiều sâu của nước.
- Khi độ muối tăng, độ hòa tan oxy giảm.
Bảng 10. Ảnh hưởng của nồng độ muối đến độ hòa tan của oxy trong nước

t
o
C 0 10 20 30
Sự giảm độ tan của oxy (mg/l) ứng
với biến đổi mỗi độ muối (1g/l)
0,08405 0,06217 0,04777 0,04085
- Hàm lượng oxy trong nước tự nhiên thường dao động từ 0 đến 14 mg/l.
- Trong nước ngọt lượng oxy hòa tan (DO) ở 0
o
C và 1 atm là 14,65 mg/l. Người ta
thường lấy DO ở 25
0
C, 1 atm bằng 8 mg/l.
- Mức tiêu thụ oxy trong nước bởi các chất ô nhiễm được biểu thị qua chỉ số nhu
cầu oxy sinh hóa (Biochemical oxygen Demand - BOD) hay nhu cầu oxy hóa học
(Chemical Oxygen Demand - COD).
b. Khí cacbonic

Hệ CO
3
2-
- CO
2
trong nước đóng vai trò rất quan trọng vì nó tham gia vào quá
trình trao đổi giữa khí quyển và nước trên lớp nước bề mặt.

Một số quy luật về sự hòa tan cacbonic từ pha khí vào nước:
- Nguồn cung cấp CO
2
hoà tan trong nước: từ không khí, sản phẩm của quá trình
oxy hóa các hợp chất hữu cơ và sự thải ra trong quá trình hô hấp của vi sinh vật.
- Nguồn làm giảm CO
2
trong nước: quá trình giải hấp; quá trình xâm thực của muối
cacbonat và quá trình quang hợp sinh vật tiêu thụ CO
2
.
- CO
2
là một khí dễ hòa tan trong nước và độ hòa tan trong nước tăng lên theo chiều
giảm của nhiệt độ. Nồng độ CO
2
ở lớp bề mặt tuân theo định luật Henry.
- Trong nước, khí CO
2
có thể tồn tại ở dạng tự do hoặc ở dạng kết hợp với nước.
CO
2
kết hợp với nước phụ thuộc vào giá trị pH của nước.
Khi pH < 5: CO
2
+ H
2
O ⇔ H
2
CO

3

Khi pH ≥ 5: H
2
CO
3
⇔ H
+
+ HCO
3
-

Khi pH ≥ 8: HCO
3
-
⇔ H
+
+ CO
3
2-

- Trong thực tế có thể tăng hoặc làm giảm hàm lượng của khí CO
2
trong nước bề mặt.

16
- Ở trầm tích, CO
2
tham gia phản ứng:
CaCO

3
+ CO
2
+ H
2
O → Ca(HCO
3
)
2
→ Ca
2+
+ 2HCO
3
-
Quá trình này dẫn đến sự thay đổi pH của môi trường.
c. Các khí khác

Đối với các loại khí khác hòa tan trong nước thì H
2
S là loại khí đáng chú ý.
Trong lớp nước mặt có oxy hòa tan thì hàm lượng H
2
S chỉ tồn tại trong một
khoảng thời gian ngắn vì nó bị oxy hóa rất mạnh.
Trong nước ngầm, hàm lượng H
2
S có khi đạt ở mức độ cao, lớp nước ngầm càng
ở sâu hàm lượng H
2
S càng cao.

d. Nồng độ ion H
+

Trong nước nguyên chất tồn tại cân bằng:
H
2
O + H
2
O H
3
O
+
+ OH
-

Đơn giản ta viết:
H
2
O H
+
+ OH
-

Ở 298
0
K: [H
+
] = [OH
-
] = 10

-7
M.
Tích số ion của nước: K
W
= [H
+
][OH
-
] = 10
-14
.
Ta có: pH = - lg[H
+
] (1-15)
Môi trường axít: pH < 7
Môi trường bazơ: pH > 7
Môi trường trung tính: pH = pOH = 7
Trong nước thiên nhiên, nồng độ ion H
+
không phải chỉ phụ thuộc vào sự điện ly
của nước mà chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ hàm lượng H
2
CO
3
; HCO
3
-
và CO
3
2-

và một
số ion khác có trong nước.
Cân bằng cacbonat hòa tan (hệ đóng)
Đối với dung dịch hệ cacbonat đơn giản, có 6 cấu tử hòa tan: CO
2
, H
2
CO
3
,
HCO
3
-
, CO
3
2-
, H
+
, OH
-
. Hệ gồm 4 phương trình quan hệ:
H
2
CO
3
⇔ CO
2(aq)
+ H
2
O

][
)]([
32
2
ΟΗ
Ο
=Κ
C
aqC
(1-16)
H
2
CO
3
⇔ H
+
+ HCO
3
-

][
]][[
32
3
32
ΟΗ
ΟΗΗ
=Κ
−+
C

C
COH
(1-17)
Tổng CO
2
hòa tan ([H
2
CO
3
*
]): [H
2
CO
3
*] ⇔ [CO
2

(aq)
] + [H
2
CO
3
] (1-18)
(từ: 1-18) →
*][
]][[
32
3
1
ΟΗ

ΟΗΗ
=Κ
−+
C
C

HCO
3
-
⇔ H
+
+ CO
3
2-
][
]][[
3
2
3
2
−
−+
ΟΗ
ΟΗ
=Κ
C
C
(1-19)
H
2

O ⇔ H
+
+ OH
-

]][[
2
−+
ΟΗ=Κ
H
OH
(1-20)
Lúc này trong hệ gồm có các cấu tử: CO
2 (aq)
, H
2
CO
3
, HCO
3
-
, CO
3
2-
, H
+
, OH
-
.
Nồng độ tổng hợp các hợp phần của hệ (C

T
) được biểu diễn dưới dạng:

17
C
T
= [H
2
CO
3
*] + [HCO
3
-
] + [CO
3
2-
]
Mà
][
*][
][
321
3
+
−
Η
Ο
=Ο
CHK
HC

;
2
3221321
2
32
2
3
][
*][
][
*][
.
][][
][
][
++++
−
−
Η
Ο
=
Η
Ο
Η
Κ
=
Η
ΟΚ
=Ο
CHKKCHKHC

C

⇒ C
T
= [H
2
CO
3
*] + [HCO
3
-
] + [CO
3
2-
] = [H
2
CO
3
*]
)
][][
1(
2
211
++
Η
+
Η
Κ
+

KK

⇒
T
CCH =Ο *][
32
[ ]
2
211
][][
1
++
Η
+
Η
Κ
+
KK
-1

(1-21)

Các công thức trên cho phép định lượng phần trăm từng dạng cacbonat có trong
nước. Chẳng hạn: Trong nguồn nước biển, giá trị K
1
đo được tại 22
0
C và áp suất 1atm
là 4.10
-7

, lớn hơn bốn bậc so với giá trị K
2
(4,2.10
-11
). Bởi vậy, sự phân ly của axít
cacbonic chỉ yếu là phân ly bậc một. Khi đó:
][
*][
][
3
321
−
+
Ο
Ο
=Η
HC
CHK

Điều này cho thấy nồng độ ion [H
+
] phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ bicacbonat
[HCO
3
-
], theo quan hệ tỷ lệ nghịch.
Nếu nguồn chính tạo ra ion HCO
3
-
là do phân ly của các muối Ca(HCO

3
)
2
,
Mg(HCO
3
)
2
,…khi đó làm tăng nồng độ HCO
3
-
, như thế làm giảm nồng độ H
+
, tức là
tăng pH. Giả sử trong dung dịch chứa một lượng đáng kể ion Ca
2+
:
HCO
3
-
⇔ H
+
+ CO
3
2-

−
−
+
−

−+
Ο
ΟΗ
Η
ΟΗ
ΟΗ
Κ=⇒=Κ
2
3
3
3
2
3
22
C
C
C
C
a
a
a
a
aa

CaCO
3
⇔ Ca
2+
+ CO
3

2-

+
−−+
Κ=⇒=
ΟΟ
2
2
3
2
3
2
2
.
Ca
CCCa
a
T
aaaT

⇒
−++
−
+
ΟΗ
ΟΗ
Η
Κ
=Κ=
3

22
3
...
2
2
CCaCa
C
aa
T
a
T
a
a

mà a =f.C ⇒
++−−+
Κ
=
Η
22
33
...
2
CaCaHCOHCO
CfCf
T
a
(1-22)
Nhiệt độ và áp suất thủy tĩnh có ảnh hưởng đáng kể đến pH của nước. Nếu nhiệt
độ (hoặc cả áp suất) tăng thì hằng số phân ly của H

2
CO
3
và H
2
O tăng lên, dẫn đến pH
tăng. Nếu nhiệt độ tăng thì độ hòa tan của khí CO
2
trong nước lại giảm, khi đó pH
tăng.
Ở 25
0
C, hằng số phân ly axít H
2
CO
3
, HCO
3
-
:
H
2
CO
3
⇔ H
+
+ HCO
3
-

65,6
32
3
1
10
][
]][[
−
−+
=
ΟΗ
ΟΗΗ
=Κ
C
C

HCO
3
-
⇔ H
+
+ CO
3
2-

33,10
3
2
3
2

10
][
]][[
−
−
−+
=
ΟΗ
ΟΗ
=Κ
C
C

⇒
][
][
][
3
32
1
−
+
ΟΗ
ΟΗ
=
Κ
Η
C
C
⇒

][
][
][
2
3
3
2
−
−
+
Ο
ΟΗ
=
Κ
Η
C
C
(1-23)

18
Bảng 11. Giá trị hằng số nồng độ K
1
*
, K
2
*
của axit cacbonic trong nước biển

Nhiệt độ
%

o
Cl
10 14 20 24 28 30
K
1
(10
-8
)
15 0,74 0,8 0,89 0,95 0,99 1,01
20 0,8 0,87 0,97 1,04 1,07 1,10
K
2
(10
-9
)
15 0,6 0,66 0,76 0,83 0,9 0,93
20 0,8 0,89 1,02 1,12 1,21 1,26
(K
1
*
, K
2
*
: hằng số nồng độ biến đổi theo độ muối)
Từ biểu thức trên cho thấy: K
1
, K
2
là hằng số, tỷ lệ với nồng độ hệ cacbonat phụ
thuộc vào nồng độ ion H

+
, tức là phụ thuộc vào pH nước.
- Biểu thức K
1
:
Ở pH = 6,35,
1
65,6
10][ K==Η
−+
→ [HCO
3
-
] = [H
2
CO
3
]
Ở pH < 6,35,
65,6
10][
−+
>Η
→ [HCO
3
-
] < [H
2
CO
3

]
Ở pH > 6,35,
65,6
10][
−+
<Η
→ [HCO
3
-
] > [H
2
CO
3
]
- Biểu thức K
2
:
Ở pH = 10,33,
2
33,10
10][ K==Η
−+
→ [HCO
3
-
] = [CO
3
2-

]

Ở pH < 10,33,
33,10
10][
−+
>Η
→ [HCO
3
-
] > [CO
3
2-

]
Ở pH > 10,33,
33,10
10][
−+
<Η
→ [HCO
3
-
] < [CO
3
2-

]
Bảng 12. Tỷ lệ (% mol) của các thành phần trong hệ CO
3
2-
biến đổi theo pH

% mol của các thành phần
pH
Tương quan hàm lượng giữa các
thành phần trong hệ cacbonat
(tính theo mol/L)
H
2
CO
3
HCO
3
-
CO
3
2-

3,35 [H
2
CO
3
] = 1000 [HCO
3
-
] 99,99 0,1 0
4,35 [H
2
CO
3
] = 100 [HCO

3
-
] 99 1 0
6,35 [H
2
CO
3
] = [HCO
3
-
] 50 50 0
7,35 [H
2
CO
3
] = 0,1[HCO
3
-
] 9,1 90,9 0,1
[HCO
3
-
] = 100 [H
2
CO
3
]
8,3
[HCO
3

-
] = 100 [CO
3
2-

]
1 98 1
9,3 [HCO
3
-
] = 10 [CO
3
2-
] 0,1 90,9 9
10,3 [HCO
3
-
] = [CO
3
2-
] 0 50 50
11,3 [CO
3
2-
] = 10 [HCO
3
-
] 0 9,1 90,9
Từ bảng 12 có thể rút ra một số đặc điểm sau về sự tồn tại hệ cacbonat:

19
- Trong khoảng pH thường gặp trong thềm lục địa (4,35 <pH≤ 8,3), hệ cacbonat chủ
yếu tồn tại hai dạng H
2
CO
3
và HCO
3
-
.
- Dạng không phân ly H
2
CO
3
chiếm chính trong hệ cacbonat khi pH thấp.
- Khi nước có pH ~ 8,3 bắt đầu xuất hiện CO
3
2-
.
Như vậy, [H
2
CO
3
], [ HCO
3
-
], [CO
3
2-
] có mối tương quan tỷ lệ với nhau.

1.2.4. Các ion chủ yếu có trong nước thiên nhiên

a. Ion Cl
-

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion Cl
-
là từ khí HCl và một phần nhỏ từ sự
phong hóa, hòa tan các khoáng vật có chứa clo trong thạch quyển.
Trong nước đại dương, ion Cl
-
có nguồn gốc khí HCl được thoát ra từ hoạt động
phun trào ở đáy đại dương và một phần từ nước sông trên các lục địa.
Trong nước sông, nước hồ,…có thể không có hoặc rất ít ion Cl
-
, nhưng trong
nước biển thì hàm lượng Cl
-
rất cao. Hàm lượng Cl
-
trong nước tự nhiên có thể biến
đổi từ 0 đến 170g/l.
Ngày nay, ion Cl
-
trong nước mặt (trên lục địa) còn có nguồn gốc từ hoạt động
nhân sinh, nhưng đáng kể nhất là từ nước thải công nghiệp chứa lượng lớn clo, được
thải vào các vực nước tự nhiên có thể làm tăng độ khoáng hóa, làm biến đổi kiểu hóa
học của nước, do đó làm suy giảm chất lượng, ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái của vực
nước, đặc biệt là các v
ực nước tĩnh như hồ, đầm,…

Nguồn gốc chính tạo nên ion Cl
-
trong nước tự nhiên do các nguyên nhân sau:
- Độ hòa tan các muối clorua rất cao, cao hơn tất cả các muối khác.
- Hoạt động của sinh vật, đặc biệt là hoạt động của con người là nguồn lớn cung cấp
Cl
-
cho các loại nước tự nhiên.
- Trong nham trầm tích cũng có nhiều ion Cl
-
, lượng ion Cl
-
cũng tham gia vòng
tuần hoàn của Cl
-
trong tự nhiên.
- Do các quá trình phong hóa các dung nham.
- Một phần lớn clo trong nước do dung nham của núi lửa phun ra cung cấp.
b. Ion SO
4
2-

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion SO
4
2-
từ khí H
2
S. Khi trong khí quyển xuất
hiện oxy, H
2

S dần bị oxy hóa thành axít sunfuric và nước tự nhiên cũng bắt đầu chứa
ion SO
4
2-
.
Nguồn gốc chính tạo nên ion SO
4
2-
:
- Trong nham trầm tích có chứa thạch cao CaSO
4
.2H
2
O, khoáng vật sunfua.
- Oxy hóa lưu huỳnh trong tự nhiên.
- Oxy hóa các hợp chất sunfua có trong dung nham, đặc biệt là các dung nham của núi lửa
- Hoạt động của con người mà chủ yếu là ngành công nghiệp.
- Do quá trình phân giải xác động thực vật.
Hàm lượng trung bình SO
4
2-
trong nước đại dương chiếm 9,28% trong tổng hàm
lượng các anion (tính theo mđl/kg). Hàm lượng của ion SO
4
2-
tuy ít nhưng ở đâu cũng

20
có. Trong các hồ nước ngọt hàm lượng SO
4

2-
cao hơn trong nước sông. Trong nước
biển, hàm lượng SO
4
2-
giảm dần theo độ sâu.
c. Ion kim loại kiềm

(chủ yếu là K
+
, Na
+
)

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion kim loại kiềm K
+
, Na
+
hòa tan trong nước là
từ sự phong hóa, hòa tan các đá macma trên bề mặt Trái Đất.
Trong nước tự nhiên, hàm lượng ion Na
+
thường lớn hơn ion K
+
vì ion K
+
tham
gia vào chu trình thực vật mạnh hơn, mặt khác, trong môi trường nước, ion K
+
còn

phản ứng với axít silixic hòa tan và các thành phần khác hình thành các khoáng thứ
sinh như đất sét,…
Trong nước đại dương, ion Na
+
có hàm lượng lớn nhất trong các cation, còn ion
K
+
có hàm lượng nhỏ nhất trong các cation. Các ion còn lại có hàm lượng rất ít. Chẳng
hạn, trong nước biển hàm lượng Rb khoảng 0,2 mg/l; Li chỉ khoảng 0,1 mg/l.
Hàm lượng trung bình trong nước đại dương: Na
+
: chiếm 77,34% tổng các cation
(tính theo mđl/kg), ion K
+
chỉ chiếm 1,64%.
Ion Na
+
đặc trưng cho nước có độ khoáng hóa cao. Khi hàm lượng Na
+
đạt vài
g/l thì nó là ion chủ yếu có trong nước.
d. Các ion Ca
2+
, Mg
2+

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion Ca
2+
, Mg
2+

trong nước thiên nhiên là từ sự
phong hóa hóa học các loại đá và khoáng vật trên bề mặt Trái Đất bởi nước mưa, nước
ngầm,… (chứa axít cacbonic và các axít khác):
CaCO
3
+ CO
2
+ H
2
O → Ca
2+
+ 2HCO
3
-

Nhưng khi trong nước có hàm lượng HCO
3
-
cao sẽ diễn ra quá trình tạo kết tủa.
Đây là nguyên nhân chính gây ra các nham trầm tích đá vôi.
Các ion Ca
2+
, Mg
2+
được hòa tan với hàm lượng lớn, chúng là các ion chính của
nước thiên nhiên.
Trong nước có độ khoáng hóa cao thì hàm lượng Ca
2+
nhỏ hơn hàm lượng Mg
2+

.
Trong nước đại dương, hàm lượng trung bình của Ca
2+
chiếm 3,37% trong tổng cation;
Mg
2+
chiếm 17,62% (tính theo mđl/kg).
e. Các ion HCO
3
-
, CO
3
2-

HCO
3
-
, CO
3
2-
trong nước thiên nhiên có nguồn gốc từ khí CO
2
trong khí quyển,
trong không khí đất và khoáng cacbonat trên bề mặt trái đất, đặc biệt là trong nước có
độ khoáng hóa thấp.
Trong nước lục địa, đặc biệt là nước có nguồn gốc khí quyển, nước ngầm trong
các thành phần tạo trầm tích cacbonat và nước có nguồn gốc macma, ion HCO
3
-
có

hàm lượng lớn nhất trong các ion chính (ví dụ: nước khoáng Vĩnh Hảo, có hàm lượng
HCO
3
-
tới 2445mg/l). Ion HCO
3
-
cũng là dạng tồn tại thường chiếm phần lớn trong hệ
cacbonat của nước tự nhiên. Ion CO
3
2-
trong nước(chỉ tồn tại ở pH ≥ 8,3) ít gặp hơn và
nếu có, cũng thường có hàm lượng nhỏ hơn so với ion HCO
3
-
, Cl
-
, SO
4
2-
. Các ion này
xuất hiện trong nước do quá trình hòa tan các muối cacbonat có tác dụng của CO
2
:
MCO
3
+ CO
2
+ H
2

O ⇔ M
2+
+ 2HCO
3
-

f. Hợp chất sunfua

Trong nước thiên nhiên, các hợp chất sunfua có thể tồn tại thể khí H
2
S hòa tan,
dạng HS
-
, S
2-
của axít H
2
S và của các muối của hai dạng đó. Sự điện ly của H
2
S:

21
H
2
S ⇔ H
+
+ HS
-

7

2
1
10.91,0
][
]][[
−
−+
=
Η
ΗΗ
=Κ
S
S

HS
-
⇔ H
+
+ S
2-

15
2
2
10.2
][
]][[
−
−
−+

=
Η
Η
=Κ
S
S

1.2.5. Các nguyên tố vi lượng và chất hữu cơ trong nước thiên nhiên

a. Các nguyên tố vi lượng trong nước thiên nhiên

Các thành phần vi lượng trong nước là những thành phần tồn tại với hàm lượng <
1mg/L, tức là thuộc cỡ hàm lượng phần triệu, phần tỷ (ppm ⇔ mg/L, ppb ⇔ μg/L)
hoặc nhỏ hơn nữa. Các thành phần vi lượng được tính hàm lượng ở cả hai dạng: dạng
hòa tan (bao gồm cả khí hòa tan) và dạng lơ lửng.
Có thể chia thành phần vi lượng trong nước thành hai nhóm sau:
- Các thành phần vô cơ vi lượng: Hg, As, Se, Cd, Pb, Cu, Zn,,…, Br, I, F, xianua,
sunfua,… tồn t
ại trong nước ở nhiều dạng như cation, anion, phức vô cơ, phức hữu cơ,
khí (dạng hòa tan); ion hấp phụ vào các chất lơ lửng và chất keo trong nước, các vi kết
tủa của các khoáng thứ sinh được hình thành trong nước (dạng lơ lửng và dạng keo).
- Các thành phần hữu cơ vi lượng: phenol và dẫn xuất, thuốc bảo vệ thực vật, chất
tẩy rửa, dầu, mỡ,…
Các nguyên tố thuộc nhóm halogen (tr
ừ clo), là nguyên tố vi lượng có trong nước
thiên nhiên. Chúng có tác dụng rất lớn trong quá trình sống của sinh vật. Ví dụ như flo,
nếu không có flo hoặc có quá nhiều flo (> 1,5 mg/l) đều gây các bệnh về răng. Nếu
thiếu iốt gây các bệnh nội tiết…
Các nguyên tố thuộc nhóm kim loại nặng (Cu, Ni, Co, Pb, Hg, Cd …) có rất ít
trong nước thiên nhiên.

Nguyên tố phóng xạ có tính cao nhất trong nước thiên nhiên. Hàm lượng của
chúng rất nhỏ nhưng lại rất dễ nhận thấy. Các nguyên tố phóng xạ
thường có trong
nước thiên nhiên là Radon và Radi.
Tùy theo hàm lượng và dạng tồn tại của các thành phần vô cơ, hữu cơ vi lượng trong
nước có thể là yếu tố có lợi hoặc gây nguy hiểm cho sự sống của sinh vật và con người.
b. Chất hữu cơ trong nước thiên nhiên

Trong nước thiên nhiên tồn tại các chất hữu cơ có thể chia làm hai loại.
- Loại 1: Bao gồm các chất hữu cơ đã cấu tạo nên cơ thể các loại sinh vật sống trong
nước như các loại động vật, thực vật sống trong nước.
- Loại 2: Bao gồm các chất hữu cơ do sinh vật thải ra trong quá trình sống của chúng
hoặc trong quá trình phân giải các chất hữu cơ từ cơ thể
các sinh vật sau khi chết.
Các chất hữu cơ thường có thành phần rất phức tạp. Ngoài các nguyên tố chính
như cacbon, hyđro, oxy còn có nhiều loại nguyên tố khác như N, P, K, Ca, Fe, Na, …
Tất cả những chất này đều có thể là nguồn cung cấp các chất cho nước thiên nhiên.
Hàm lượng và mức độ khoáng hòa chất hữu cơ trong nước được xác định và
đánh giá bởi hàng loạt các thông số sau:
- Các thông số biểu thị gián tiếp: oxy hoà tan (DO) và độ bão hòa oxy; nhu cầu oxy
hóa h
ọc (COD); nhu cầu oxy sinh hóa (BOD); tỷ số COD/BOD; sự tiêu thụ thuốc tím
(độ oxy hóa); hàm lượng các ion nitơ vô cơ; hàm lượng phophat hoà tan,…

22
- Các thông số biểu thị trực tiếp: tổng cacbon hữu cơ (TOC - total organic carbon),
cacbon hữu cơ hòa tan (DOC - dissolved organic carbon); nitơ hữu cơ; photpho hữu cơ,…
1.3. Hóa học nước sông

1.3.1. Đặc điểm chung

Thành phần hóa học của nước sông được quyết định bởi đặc tính vốn có của con
sông ấy. Đặc tính ấy bao gồm các yếu tố sau: Nguồn nước cung cấp, cấu tạo địa chất,
khí tượng, thuỷ văn, khí hậu, tốc độ dòng chảy,…
Bảng 13. Thành phần hoá học trung bình của nước sông hồ

Thành phần % trọng lượng Thành phần % trọng lượng
CO
3
2-
35,2 Ca
2+
20,4
SO
4
2-
12,4 Mg
2+
3,4
Cl
-
5,7 Na
+
5,8
SiO
2
11,7 K
+
2,1
NO

3
-
0,9 (FeAl
2
)O
3
2,7
Độ khoáng hóa của nước sông thường nhỏ hơn các loại nguồn nước khác vì nước
sông tiếp xúc với các tầng nham thạch trong thời gian rất ngắn do nước sông luôn
chuyển động, khả năng hòa tan các chất rất thấp.
1.3.2. Động thái của các ion chủ yếu nhất

Dựa vào độ khoáng hóa của sông, người ta chia sông làm 4 cấp:
- Sông cấp I có độ khoáng hóa rất thấp: < 200 mg/l.
- Sông cấp II có độ khoáng hóa trung bình: 200 ÷ 500 mg/l.
- Sông cấp III có độ khoáng hóa cao: 200 ÷ 500 mg/l.
- Sông cấp IV có độ khoáng hóa rất cao: > 1000 mg/l.
Hầu hết nước các con sông trên trái đất đều là sông cấp I hoặc cấp II.
Có hai nguồn cung cấp nước cho sông là nguồn nước trên mặt đất (nước mưa, nước
tuyết và băng) và nguồn nước ngầm (nước trong tầng đất bồi, nước trong t
ầng ngầm).
Khí hậu có ảnh hưởng rất lớn tới nguồn cung cấp nước cho sông, làm cho lượng
nước cung cấp cho sông thay đổi, thành phần hóa học của các nguồn nước cung cấp
cho sông thay đổi và do đó làm cho thành phần hóa học của nước sông cũng thay đổi.
Như vậy, mỗi con sông đều có động thái thủy hóa đặc thù.
Nhìn chung đối với các con sông có độ khoáng hóa trung bình và thấp, khi độ khoáng
hóa tăng lên thì hàm lượng các ion cũng tăng lên tương ứng, đặ
c biệt là hàm lượng Cl
-
và

HCO
3
-
tăng rất nhanh. Đối với các con sông có độ khoáng hoá cao, khi độ khoáng hóa tăng
lên thì hàm lượng các ion cũng tăng theo, nhưng đặc biệt hàm lượng HCO
3
-
giảm.
1.3.3. Động thái của các hợp chất hữu cơ
Các chất hữu cơ trong nước sông tồn tại dưới dạng trạng thái các chất mục nát bị
xối từ đất và đầm lầy chảy vào sông và các sản vật được phân giải từ các chất hữu cơ
tạo ra.
a. Độ oxy hóa của nước (COD - Chemical Oxygen Demand)

23
Để xác định hàm lượng của các chất hữu cơ tồn tại trong nước người ta dùng đại
lượng chỉ độ oxy hóa của nước, viết tắt là COD.
Độ oxy hóa của nước là số miligam oxy cần thiết để oxy hoá hết các chất hữu cơ
có trong 1 lít nước. Như vậy qua lượng oxy cần dùng có thể tính ra hàm lượng các hợp
chất hữu cơ có trong nước.
b. Phân loại nước sông

Dựa vào độ oxy hoá người ta chia nước sông ra các loại:
- Nước sông có COD rất thấp: COD ≤ 2 mg/l.
- Nước sông có COD thấp: COD = 2 ÷ 5 mg/l.
- Nước sông có COD trung bình: COD = 5 ÷ 10 mg/l.
- Nước sông có COD hơi cao: COD = 10 ÷ 20 mg/l.
- Nước sông có COD cao: COD = 20 ÷ 30 mg/l.
- Nước sông có COD rất cao: COD > 30 mg/l.
1.3.4. Động thái của các chất khí hòa tan và của ion H

+

a. Động thái của các chất khí hòa tan
Hàm lượng của các chất khí hòa tan vào nước phụ thuộc vào các yếu tố:
- Bản chất của chất khí;
- Nhiệt độ của nước;
- Cường độ của các quá trình quang hợp trong nước;
- Thành phần của nguồn nước bổ sung cho sông;
- Áp suất riêng phần của các khí trên bề mặt nước.
Thông thường hàm lượng oxy trong nước sông không vượt quá 15 mg/l và hàm
lượng CO
2
không quá 30 mg/l.
*
Khí oxy:

Hàm lượng oxy trong nước sông phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
Nhìn chung về mùa hạ, hàm lượng oxy trong nước sông vào khoảng 6 ÷ 8 mg/l vì
nhiệt độ cao; về mùa đông, thì khoảng 8 ÷ 12 mg/l vì nhiệt độ của nước thấp. Hàm
lượng này còn phụ thuộc vào nguồn sinh vật sống trong nước và khí hậu của khu vực
sông chảy qua.
*
Khí CO
2
:
Động thái của khí CO
2
trong nước sông tương tự động thái của oxy.
Về mùa đông hàm lượng CO
2

cao vì sinh vật trong nước ít hoạt động nên lượng
CO
2
tiêu thụ ít, đồng thời nguồn nước chính cung cấp cho sông về mùa đông là nước
ngầm thường có nhiều CO
2
.
Về mùa hạ, nhiệt độ cao, hoạt động của các vi sinh vật nhiều nên hàm lượng của
CO
2
giảm nhiều, chỉ vào khoảng 1 - 3 mg/l. Thậm chí có lúc không còn CO
2
trong
nước, nên vi sinh vật phải lấy CO
2
trong không khí.
b. Động thái của ion H
+


24
Hàm lượng ion H
+
trong nước sông phụ thuộc nhiều vào mùa vụ.
- Giá trị pH của hầu hết các con sông trong mùa đông từ 6,8 - 7,8 còn trong mùa hạ
cao hơn, từ 7,8 - 8,8.
- Các con sông được bổ sung bằng nguồn nước của các đầm lầy thì thường có pH thấp
(pH < 6). Các con sông ở khu vực nhiệt đới về mùa hạ độ pH có thể tăng lên tới 9.
1.4. Hóa học nước ngầm

1.4.1. Đặc điểm chung

Nước ngầm tiếp xúc trực tiếp và hoàn toàn với đất và nham thạch: nước ngầm có
thể là các màng mỏng bao phủ các phần từ nhỏ bé của đất, nham thạch; là chất lỏng
được chứa đầy trong các ống mao dẫn nhỏ bé giữa các hạt đất, đá; nước ngầm có thể
tạo ra các tia nước nhỏ trong các tầng ngấm nước.
Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào cấu trúc địa t
ầng mà nước thấm qua. Do vậy
nước chảy qua các tầng địa tầng chứa cát hoặc granit thường có tính axit và chứa ít chất
khoáng. Khi chảy qua địa tầng chứa đá vôi thì nước thường có độ cứng và độ kiềm
hydrocacbonat khá cao. Ngoài ra, các đặc trưng chung của nước ngầm là:
- Độ đục thấp.
- Nhiệt độ và thành phần hoá học tương đối ổn định.
- Không có oxy, nhưng có thể chứa nhiều khí H
2
S, CO
2
,…
- Chứa nhiều chất khoáng hoà tan, chủ yếu là sắt, mangan, canxi, magie, flo.
- Không có sự hiện diện của vi sinh vật.
Nước ngầm cũng được chia thành các tầng, lớp khác nhau và thành phần hóa học
của các tầng lớp đó cũng khác nhau.
Ảnh hưởng của khí hậu đối với nước ngầm không đồng đều.
Thành phần của nước ngầm không những chịu ảnh hưởng về thành phần hóa học
của tầng nham th
ạch chứa nó mà còn phụ thuộc vào tính chất vật lý của các tầng nham
thạch đó.
Nước ngầm ít chịu ảnh hưởng của sinh vật nhưng chịu ảnh hưởng nhiều của vi
sinh vật. Ở tầng sâu do không có oxy và ánh sáng nên vi sinh vật yếm khí hoạt động
mạnh, chi phối nhiều đến thành phần hóa học của nước ngầm. Vì vậy thành phần hóa

học của nước ngầm chứa nhiều chấ
t có nguồn gốc vi sinh vật.
Nước ngầm không có oxy. Khi độ pH < 5,5, trong nước ngầm thường chứa nhiều
khí CO
2
. Đây là khí có tính ăn mòn kim loại và ngăn cản việc tăng pH của nước.
Thường nước ngầm có nồng độ khí CO
2
khoảng 30 - 50 mg/l, nhiều nơi nước ngầm
mạch sâu (200 – 300 m) nồng độ CO
2
có thể lên đến 320 mg/l. Các biện pháp làm
thoáng có thể đuổi khí CO
2
, đồng thời thu nhận oxy hỗ trợ cho các quá trình khử sắt và
mangan. Ngoài ra, trong nước ngầm có thể chứa khí H
2
S có hàm lượng đến vài chục
mg/l. Đây là sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ có trong nước.
1.4.2. Sự phân tầng của nước ngầm

a. Nước tầng trên

Từ mặt đất thấm xuống tạo ra tầng nước ngầm này, sau đó lại được tháo tiêu ra
sông, hồ. Vì vậy nước tầng này giao lưu mạnh.

25
Thành phần hóa học của nước tầng trên phụ thuộc vào: thành phần hóa học của nguồn
nước mặt, thành phần hóa học của lớp tầng đất chứa nó, khí hậu, thời tiết…
Do sự bay hơi của nước mặt đất, nước ngầm ở tầng trên có thể theo các mao dẫn

lên gần hoặc thậm chí lên tới mặt đất mang theo nhiều muối khoáng, khi nước bay hơi
để lại phần muố
i khoáng này cho đất. Đây là một trong những yếu tố quan trọng làm
cho đất khô hạn biến thành đất chua mặn.
b. Nước tầng giữa

Nước tầng này nằm ở bên dưới mặt gốc xâm thực, phụ thuộc chặt chẽ vào mức
độ bộc lộ về địa chất thuỷ văn.
Nước từ trên đất thấm xuống tới tầng nước ngầm này thường rất chậm, đặc biệt
là với tầng nham thạch ít thấm nước. Vì vậy, nước tầng này là nước chậm giao lưu.
Trong tầng này, thành phần nguyên thu
ỷ của nước ban đầu bị thay đổi nhiều do nước
và nham thạch tác dụng mật thiết với nhau hoặc do sự trộn lẫn các nguồn nước khác.
c. Nước tầng dưới

Nước tầng này cách biệt hoàn toàn với mặt đất và hầu như không giao lưu. Có
nhiều giả thiết khác nhau về nguồn gốc của tầng nước này:
- Do nước ở tầng trên thấm xuống.
- Do nước biển thấm vào mà có.
- Do nước từ rất lâu bị chôn vùi bởi các tầng nham thạch hình thành mà có.
- Do dưới áp lực rất lớn mà nước trong các nham thạch hay bùn tách ra mà có…
1.4.3. Nước khoáng và nước có thành phần đặc biệt

a. Nước khoáng

Nước khoáng là loại nước ngầm có chứa nhiều chất có tính chất kích thích về
phương diện sinh học. Các loại nước này được dùng trong việc điều dưỡng sức khoẻ
và chữa bệnh.
Nước ngầm có độ khoáng hóa lớn hơn 1,0 g/l có thể gọi là nước khoáng. Khi độ
khoáng hoá lớn hơn 50 mg/l thì gọi là nước mặn.

Người ta thường căn cứ vào hàm lượng một số chất có tác dụng kích thích sinh
họ
c trong nước khoáng để phân loại nước khoáng.
Hàm lượng CO
2
tự do tối thiểu để được gọi là nước khoáng là 0,250 g/l. Hàm
lượng CO
2
tự do xấp xỉ bằng 0,750 g/l mới được gọi là nước khoáng cacbonic.
Thực ra giới hạn giữa nước nhạt và nước khoáng không rõ rệt. Có những loại
nước có độ khoáng hoá rất thấp, nhưng có chứa một số chất có tác dụng chữa bệnh nên
vẫn được gọi là nước khoáng. Người ta cũng có thể phân loại nước khoáng theo nhiệt
độ: nước lạnh (nhiệt độ của nước < 253
o
K), nước ấm (nhiệt độ của nước từ 253 -
310
o
K), nước nóng (nhiệt độ của nước > 315
o
K)
b. Nước có thành phần đặc biệt

Trong nước ngầm có loại nước chứa rất ít các ion và không ổn định. Đặc biệt
trong loại nước này có chứa hàm lượng ion H
+
cao nên được gọi là nước axít và giá trị
pH thường nhỏ hơn 4.
Nguồn gốc của các loại nước này là do các hợp chất của S trong nham thạch bị
oxy hoá dần dần tạo thành H
2

SO
4
tan trong nước. Quá trình này thường xảy ra ở tầng