Bài giảng hoá học môi trường đại học thủy lợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
BỘ MƠN HĨA CƠ SỞ

BÀI GIẢNG

HĨA HỌC MÔI TRƯỜNG

GV: ĐINH THỊ LAN PHƯƠNG

HÀ NỘI 2021


03-Mar-21

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Hóa và Mơi Trường
Bộ mơn Hóa Cơ sở
***********

Hóa học MT nghiên cứu về những vấn đề
•

HĨA HỌC MƠI TRƯỜNG

Là mơn khoa học nghiên cứu các hiện tượng hóa học xảy ra trong
mơi trường: nguồn, các phản ứng, sự vận chuyển, hiệu ứng, sự tồn
tại của các chất hóa học trong khơng khí, nước, đất và ảnh hưởng
của các hoạt động của con người đến các quá trình này.

Đinh Thị Lan Phương
Email:

ĐT: 0988771363
1

Một số hình ảnh ơ nhiễm Mơi trường Việt Nam

4

Chương 1
HĨA HỌC MƠI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN

Nội dung:
1. Cấu trúc khí quyển
2. Sự hình thành khí quyển
3. Các phản ứng hóa học chính trong khí quyển
4. Ơ nhiễm khí quyển
5. Tác động tổng hợp của các chất ơ nhiễm khơng khí
3

1. Cấu trúc khí quyển
6

5

 Khí quyển là lớp vỏ khí bao quanh TĐ. Ranh giới phân
chia giữa khí quyển và khoảng khơng gian bên ngồi
khơng rõ ràng.

Khí quyển chỉ cho các bức xạ có bước sóng trong
khoảng 320÷2500nm đi qua và ngăn chặn phần bức xạ
tử ngoại có bước sóng nhỏ hơn 320nm, là phần bức xạ

gây hủy hoại da.
Khí quyển đóng một vai trị quan trọng trong q trình
cân bằng nhiệt của Trái đất, thông qua khả năng hấp
thụ bức xạ hồng ngoại của ánh sáng Mặt trời và phần
tái bức xạ từ Trái đất. Khí quyển đốt cháy các thiên
thạch trước khi rơi vào trái đất.

 Độ cao của lớp vỏ khí này có thể từ 500÷1000km từ mặt
đất. Tuy nhiên, 99% khối lượng của khí quyển lại tập
trung ở lớp khí chỉ cách mặt đất 30km.
 Sự biến đổi của áp suất khí theo độ
cao: càng lên cao áp suất càng giảm

1


03-Mar-21
Dựa theo sự biến đổi nhiệt độ, khí
quyển được chia thành 5 tầng
Tầng ngoài
800

8

7

Tầng đối lưu - KK chuyển động theo chiều
thẳng đứng, càng lên cao to
Xích đạo 0càng giảm (đến -50oC). Tập
16m, cực 0trung 80% lượng kk, ¾ lượng

18m
hơi nước, tro bụi, sinh vật…

Điều hòa nhiệt độ
trên TĐ để duy trì
sự sống
Gây ra các hiện
tượng thời tiết:
mây, mưa, bão
Bảo vệ TĐ khỏi tia
cực tím

Trung lưu
50-80km

KK chuyển động theo chiều
ngang, nhiệt độ tăng dần theo
chiều cao (đến 0oC), tập trung
ozon.
Nhiệt độ giảm mạnh theo độ
cao (đến -75oC)

Tầng ion
(nhiệt lưu)
80-1000km

KK loãng, chứa nhiều cation
và anion, nhiệt độ tăng mạnh
theo độ cao đến 1000oC

Phản hồi sóng điện
từ từ mặt đất lên

Tầng ngồi

KK loãng, chủ yếu là He và H2
nhiệt độ tăng theo độ cao có
thể lên đến 2.500 °C.

Bình lưu
16-50km

1.000 km đến
10.000 km

Các thành phần của khí quyển
- Tầng đối lưu chiếm
khoảng 70% khối lượng khí
quyển.

Quang hóa

Khí

Thành phần (%)

N2
O2
Ar
CO2

78
20
1
0,038

- Tầng bình lưu có thành
phần chủ yếu là O3, ngồi ra
cịn có N2, O2 và một số gốc
hóa học khác.

9

+Q

10

2. Sự hình thành khí quyển

- Tầng trung lưu có thành
phần chủ yếu là các gốc tự do
O2+, NO+ được tạo thành do
oxi và nitơ oxit hấp thụ bức
xạ tử ngoại xa.

12

- Trong tầng nhiệt lưu (ion),
do tác dụng của bức xạ tử
ngoại gần, các phân tử bị

phân tách thành nguyên tử và
sau đó ion hóa thành các ion.

CH4, CO2,..
trong lịng đất

Phun trào
núi lửa

CO2, NH3
H2O(h)

hν

Aminoaxit,
Đường

• Oxi trong khí quyển chủ yếu được hình thành qua
phản ứng quang hợp

+Q

11

2


03-Mar-21

• Các chất và tác nhân tham gia phản ứng:

3. Các phản ứng chủ yếu trong khí quyển

- Các chất vô cơ: CO, CO2, NO2, SO2
- Chất hữu cơ: CH4, ankan, anken, aren,
HCHO
- Tác nhân oxi hóa: O3, H2O2
- Các gốc tự do: HO•, HO2•, ROO•, NO3•
- Chất khử: CO, SO2, H2S
- Chất bị oxi hóa: hợp chất cacbonyl, N hữu
cơ
- Axit (HNO3), bazơ (NH3), muối (NH4HSO4)
- Các tác nhân khơng bền vững: NO2 ở trạng
thái kích thích, gốc HO

• Phức tạp, khó dự đốn.
• Diễn ra ở các thời điểm khác nhau trong
ngày cho kết quả hoàn toàn khác nhau.
• Diễn ra ở pha khí, trên diện tích bề mặt
của các hạt bụi và chất lỏng tồn tại trong
sol khí và các đám mây.

b) Tái tạo oxi

a) Tiêu thụ oxi trong tầng đối lưu

- Phản ứng quang hợp: CO2 + H2O + h → {CH2O} + O2

- Phản ứng cháy: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

c) Phản ứng hình thành các gốc tự do, các ion

- Phản ứng đốt nhiên liệu hóa thạch: C + O2 = CO2
- Hô hấp của động vật: {CH2O} + O2 → CO2 + H2O

O2 + h → O + O  < 290 nm

- Oxi hóa và phong hóa các oxit: ví dụ phản ứng 4FeO + O2 = 2Fe2O3

O3 + h → O2 + O*  = 290  320 nm

- Phản ứng quang hóa tạo ozon: từ O2 tạo ra O3.

O + h → O+ + e

O+ + O2 → O2+ + O
O+ + N2 → NO+ + N

Trao đổi oxi giữa khí quyển, địa quyển, thủy quyển và
sinh quyển

d) Phản ứng quang hóa

• Khái niệm: Phản ứng quang hóa là phản ứng trong đó
năng lượng cần thiết được hấp thụ từ sóng điện từ (thường
có bước sóng thuộc vùng UV- VIS).
• Nguyên tắc cơ bản của phản ứng quang hóa:
1. Phản ứng chỉ xảy ra với các phần tử có khả năng hấp
thụ các photon mà nó gặp.
2. Mỗi photon chỉ có thể kích hoạt với một phần tử duy

nhất ở q trình quang hóa đầu tiên.
3. Các phần tử hấp thụ photon có khả năng hình thành
phản ứng nhiệt, phản ứng huỳnh quang hoặc lân tinh,
hoặc phân hủy liên kết cũ để tạo liên kết mới.
17

3


03-Mar-21
Các dạng phản ứng quang hóa:

Phản ứng trao đổi năng lượng liên phân tử:
O2* + M → O2 + M*
Phản ứng phát xạ: năng lượng của phân tử mất đi dưới
dạng sóng điện từ. O2* → O2 + h
Phản ứng trao đổi năng lượng nội phân tử: năng lượng
được trao đổi ngay trong phân tử làm chúng chuyển từ
trạng thái kích hoạt này sang trạng thái kích hoạt khác.
O2* → O2*’

19
Phản

ứng hấp thụ năng lượng:
O2 + h → O2*
Ký hiệu * dùng để chỉ các chất ở trạng thái kích hoạt

Phản ứng tỏa nhiệt: các phân tử kích hoạt bị mất năng
lượng dưới dạng nhiệt: O2* → O2 + Q

Phản ứng phân ly: phản ứng diễn ra phổ biến ở tầng cao
của khí quyển để tạo thành các nguyên tử oxi.
O2* → O + O
Phản ứng trực tiếp:
O2* + O3 → 2O2 + O

Phản ứng ion hóa: O2* → O2+ + ePhản ứng isomer (đồng phân) hóa:
C6H4(NO2)CHO + h → C6H4(NO)COOH

e) Phản ứng của các hợp chất N trong khí quyển

Nitơ oxit (N2O) - là chất khí khơng màu, trơ

Các dạng tồn tại sơ cấp của N: N2, N2O, NO và NO2

Tại tầng đối lưu, hàm lượng N2O khoảng 0,3 ppm. Khi
xâm nhập lên tầng bình lưu, xảy ra các phản ứng hóa học
sau:

22

Khí N2

N2O + h → NO + N

- Nhận xét về tính chất hóa học của N2: rất trơ về mặt hóa
học do năng lượng liên kết trong phân tử lớn.

N2O + O → 2 NO

- Khí N2 chỉ tham gia phản ứng phân ly quang học khi
nhận được năng lượng bức xạ với bước sóng rất ngắn (<
100nm) từ tầng bình lưu.

N2O + O → N2 + O2
Phản ứng hình thành NO – một tác nhân làm suy giảm
hàm lượng ozon trong tầng bình lưu

N2 + hv  N2+ + e
N2 + O2  2NO

BT1. Một vụ cháy xảy ra ở thành phố công nghiệp
thải vào môi trường một lượng lớn formaldehyt.
Nồng độ formaldehyt trong không khí xung quanh
xác định được là 2500µg/m3. Giả sử khơng có sự
khuyếch tán formaldehyt do gió mà chỉ xảy ra phản
ứng phân huỷ quang hóa. Sau bao lâu nồng độ
formaldehyt trong khí quyển cịn lại là 50µg/m3,
cho hằng số tốc độ phân hủy k = 2,7.10-5s-1. Coi p/ư
bậc 1.

BT3. Khí CO2 hồ tan vào nước tạo thành axit
cacbonic. Tính pH của nước tự nhiên ở trạng thái cân
bằng với CO2 trong khơng khí ở 25oC. Khơng khí
khơ chứa 0,0314% CO2 theo thể tích; KH của CO2 ở
25oC, 1atm là 29mol/l.atm và hằng số phân ly axit
của hệ H2CO3 – HCO3- là 4,45.10-7.

23đã

BT4. Cho hằng số tốc độ phản ứng: CH4 + HO. =
CH3. + H2O là 6,3.10-15mol-1cm3s-1. Cho hàm lượng
metan trong khí quyển là 1,745ppmv và nồng độ HO.
là 8,0.105mol.cm-3. Tính tốc độ của phản ứng.

BT2. Liên quan đến hiện tượng sương quang hóa,
nồng độ ozon phát hiện được ở một khu vực đô thị
đạt 480ppb. Xác định % ozon vượt quá tiêu chuẩn
cho phép (TC: 240µg/m3 áp dụng trong khoảng thời
gian trên).

4


03-Mar-21

Nitơ oxit và nitơ dioxit NO2
- Nhận xét về trạng thái vật lí và hoạt tính hóa học của 2
oxit trên?
24

- NOx được tạo thành từ các nguồn nào?
- Sự biến đổi nồng độ 2 oxit trên trong khí quyển phụ
thuộc vào những yếu tố nào?

3

6

9

12
giờ trong ngày

15

18

21

24

Nồng độ (trung bình 1 giờ) hàng ngày của các chất ơ nhiễm ở Los Angeles, USA

BT5. Dùng các kiến thức về động học và cân bằng hóa học,
hãy chứng minh mối quan hệ tỉ lệ thuận giữa nồng độ NO2 và
O3 trong khí quyển; tỉ lệ nghịch giữa NO và O3.
Cho biết các phản ứng kết hợp sau:
1. NO + O3  NO2 + O2
2. NO2  NO + O
3. O + O2  O3
26

Các chuyển hóa hóa học chủ yếu của NOx trong tầng đối lưu

Các phản ứng minh họa
NO + O3 → NO2 + O2
NO2 + O3 → NO3• + O2
NO2 + O → NO + O2
NO2 + O + M → NO3• + M

M là các phân tử khác như
N2 hoặc O2 đóng vai trị
tác nhân hấp thụ năng
lượng

NO2 + NO3• → N2O5
NO + NO3• → 2NO2

NO2 + HO• → HNO3

O + NO + M → NO2 + M

NO2 + HO2• → HO2.NO2
NO2 + R-C(=O)O2• → R-C(=O)-O-O-NO2
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
N2O5 + H2O → 2HNO3

27

Sử dụng quá trình “đốt 2 giai đoạn” có thể giảm đến
90% lượng NOx trong khí thải các nhà máy phát điện
([NOx] =50 – 1000 ppm).

Bộ chuyển xúc tác

•

Bộ chuyển xúc tác hoạt động
trên nguyên tắc làm tăng tốc độ
phân hủy NO

•

Chất xúc tác khơng bị mất
trong q trình phản ứng cho
nên khơng cần phải nạp thêm

• Giai đoạn 1: nhiên liệu (than đá /
dầu / khí đốt) được đốt ở nhiệt độ
khá cao, trong điều kiện thiếu oxy
nên hạn chế được lượng NO tạo
thành.
• Giai đoạn 2: q trình đốt nhiên
liệu được hoàn tất ở nhiệt độ tương
đối thấp với lượng dư khơng khí.
Trong điều kiện này NO khơng
được tạo thành.

Khí NO được tạo ra khi đốt cháy
hidro cacbon trong động cơ (từ
N2, O2 khơng khí)
Phản ứng phân hủy xảy ra nhanh
khi có xúc tác

2NO (k) → N2(k) + O2(k)
Pt

29

30

5


03-Mar-21
Xử lí NOx trong khí thải nhà máy bằng cách sục khí
thải qua dung dịch H2SO4 hay dung dịch chứa Ca(OH)2
và Mg(OH)2. Lúc đó ngồi NOx, SO2 cũng bị loại khỏi
khí thải:

Phản ứng của các hợp chất S trong khí quyển
 Nêu tên các hợp chất chứa S trong khí quyển ?

1. Khí thải và NO2 được dẫn vào bộ phận oxy hóa:
NO2 + SO2 + H2O  H2SO4 + NO
2. NO và NO2 phản ứng với nhau tạo thành N2O3, tiếp đó khí thải được
sục vào bể chứa H2SO4. Khí sau khi đã xử lý được thải vào khơng
khí:
NO2 + NO  N2O3
N2O3 + 2H2SO4  2NOHSO4 + H2O
3. Sản phẩm của phản ứng trong bể sục được phân hủy trong hệ thống
phân hủy tái tạo lại H2SO4:
2NOHSO4 + 1/2O2 + H2O  2H2SO4 + 2NO2
4. NO2 tạo thành HNO3 trong bể phản ứng:
3NO2 + H2O  2HNO3 + NO
31
Lượng NO2 và NO thừa được dẫn quay lại bộ phận oxy hóa ban đầu.

 Nguồn phát sinh các hợp chất này ?
 Viết các phản ứng hình thành các hợp chất này?

 Trong các dạng tồn tại trên của S, dạng nào là chất gây
ô nhiễm sơ cấp, thứ cấp ?
 Hợp chất nào là dạng gây ô nhiễm phổ biến nhất ?
 Xét các phản ứng xảy ra trong khí quyển với các hợp
chất trên

c. Phản ứng hình thành H2SO4
33

34

2SO2 (k) + O2 (k)  2SO3 (k)
Khi có mặt nước:
SO3 (k) + H2O(l)  H2SO4 (dd)

a. Phản ứng quang hóa:
SO2 + h → SO2*  = 300  400 nm
b. Phản ứng với một số gốc hóa học
SO2 + HO2• → HO• + SO3
SO2 + RO2• → RO• + SO3 (R: gốc alkyl)
SO2 + HO• + M → HOSO2• + M
HOSO2• + O2 → HOSO2O2•
HOSO2O2• + NO → HOSO2O• + NO2

Khi có mặt chất oxi hóa:
H2O2 + SO2  H2SO4
d. Các phản ứng trong khí quyển của H2S
H2S + O3 → H2O + SO2
BT6: Tính lượng SO2 bị oxi hóa 1 giờ trong khơng
khí có chứa 1,02x107 phân tử/cm3 gốc HO.; cho biết

hằng số tốc độ của phản ứng bậc hai oxi hóa SO2
bằng gốc HO. là 6x10-13 cm3/phân tử.s. Tính thời
gian bán hủy của phản ứng trên?

Phản ứng của các hợp chất cacbon trong khí quyển
35

36

- Phản ứng quang hóa và phản ứng với gốc tự do OH:

 Hai loại oxit cacbon: CO và CO2
 Nhắc lại các tính chất vật lí của CO, CO2 ?

CO2 + H2O + h → {CH2O} + O2

 Hàm lượng CO2 trong tầng đối lưu: 360 ppm

CO2 + h → CO + O

 Hàm lượng CO trong tầng đối lưu < 0,1 ppm
 Các nguồn tạo ra CO, CO2 trong khí quyển

Với CO:

 Là 2 khí nhà kính chủ yếu và đáng quan tâm nhất

CO + OH• → H + CO2

6

03-Mar-21

38

37

- Với CH4
HO• + CH4 → CH3• + H2O
CH3• + O2 → CH3O2•
CH3O2• + NO → CH3O• + NO2
CH3O• + O2 → HCHO + HO2•
- HCHO là chất trung gian để tạo thành CO:

HCHO + HO• → H2O + HCO•

BT7. Nồng độ CO2 trong khơng khí năm 1750 là 280ppm và
hiện tại là 355ppm. Tính tỉ lệ C trong than đá được đã sử
dụng làm nhiên liệu. Giả thuyết CO2 và khơng khí có tỉ trọng
bằng nhau; CO2 chỉ tạo ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu và
được duy trì (bảo tồn) trong khơng khí. Cho khối lượng
khơng khí là 5,14x1015 tấn. Khối lượng C trong đá là
7,5x1015 tấn.
BT8. Hàm lượng CO giải phóng ra khi hút thuốc lá là
400ppm (so với khơngkhí). Nếu như tốc độ hơ hấp trung
bình của người lớn là 20lít/phút và một người hút thuốc lá
trong 15 phút. Xác định lượng (mg) CO đưa vào phổi.
BT9. Hàm lượng cho phép khí SO2 trong khí quyển là 3ppb
(TCVN). Xác định hàm lượng (µg/m3) SO2 tối đa cho phép

thải ra từ ống khói nhà máy sản xuất axit sunfuric biết khí
SO2 sẽ được pha lỗng 10.000 lần khi thốt khỏi ống khói.

HCO• + O2 → CO + HO2•

Phản ứng của các gốc tự do trong khí quyển

Phản ứng axit - bazơ

40
 Khái
niệm gốc tự do: các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử
chứa một electron độc thân

39

- Các axit HNO3, H2SO4 trong khí quyển được hình thành
từ các oxit NO2 và SO2, SO3

 Do có chứa electron độc thân, các gốc tự do có khả năng
phản ứng cao, tham gia vào hầu hết các phản ứng trong khí
quyển

- NH3 tạo thành từ phân hủy sinh học của hợp chất N, tồn tại
đáng kể so với các bazơ khác:

 Gốc hydroxyl (HO•) là gốc tự do đóng vai trị quan trọng
nhất trong các phản ứng hóa học khí quyển.
 Các gốc tự do thường gặp:

NO3- + 2CH2O + H+ → NH3 + 2CO2 + H2O

Hydroperoxyl (HOO•)

NH3 + HNO3 → NH4NO3

Axyl (RCO•)

Alkyl (R•)
Ankoxyl (RO•)

 Các gốc ankyl, axyl kết hợp với O2 tạo các gốc peoxi:

NH3 + H2SO4 → NH4HSO4

ROO• (peoxiankyl, gồm cả HO2•)
và RC(=O)OO• (peoxiaxyl).

a) Gốc hydroxyl (HO•) và hydroperoxy (HOO•)
- Phản ứng loại bỏ gốc hydroxyl khỏi tầng đối lưu

- Q trình tạo thành gốc HO•

CH4 + HO• → H3C• + H2O

•

H2O + h → HO + H
O3 + h → O* + O2
O* + H2O → 2HO

CO + HO• → CO2 + H

 < 315 nm

- Gốc hydroperoxy tham gia vào phản ứng tạo gốc
hydroxyl và q trình ngắt mạch của phản ứng dây
chuyền:

•

- HO• phản ứng với CO, SO2, H2S, RH và NO2:
HO• + CO → H + CO2

HOO• + NO → NO2 + HO•

HO + SO2 → HSO3

HOO• + O3 → 2O2 + HO•

HO• + NO2 → HNO3

HOO• + O → HO• + O2

HO• + H2S → HS + H2O

HOO• + HO• → H2O + O2

•

HO• + RH → R• + H2O

R – gốc ankyl

HOO• + HOO• → H2O2 + O2
41

42

7


03-Mar-21

b) Một số gốc tự do khác
- Các gốc tạo thành có thể tham gia phản ứng với NO:

- Phản ứng với O2: các phản ứng chủ yếu gồm
R• + O2 → ROO•

ROO• + NO → NO2 + RO•

RCO• + O2 → RC(=O)OO•

RC(=O)OO• + NO → NO2 + RCOO•
RO• + NO → RONO (nitratankyl)

RO• + O2 → RCHO + HO2•

- Các gốc cũng có thể phản ứng với nhau tạo ra sự ngắt mạch:

ROO• + ROO• → O2 + ROOR
43

44

4. Ơ nhiễm khí quyển

BT 11.
1. Viết các p/ư hình thành gốc HO*
2. Viết các p/ư của HO* với: CO, SO2, H2S, RH, NO2
3. Những p/ư nào loại bỏ gốc hydroxyl khỏi tầng đối lưu
4. Viết các phản ứng tạo gốc hydroxyl từ gốc hydroperoxy
5. Viết các p/ư của gốc ankyl (R*), Axyl (RCO•) và
Ankoxyl (RO•) với O2
6. Viết p/ư của các gốc tạo thành với NO: ROO•
(peoxiankyl) và RC(=O)OO• (peoxiaxyl).

46

Nguồn nhân tạo

45

47

48

Các chất gây ơ nhiễm khí quyển điển hình
- Sulfua dioxit, SO2,
- Các oxit của nitơ, NOx,

- Cacbon oxit, CO, CO2
- Các hợp chất hữu cơ,

Thời gian lưu của một số chất gây ơ nhiễm khí quyển

Chiếm trên 90%
vào tình trạng ơ nhiễm
khí quyển tồn cầu

- Các hạt bụi lơ lửng

8


03-Mar-21
a) Sulfua dioxit (SO2)
49

50

 Khí khơng màu, có mùi sốc, phát hiện được ở nồng độ >
0,3 ppm
 Nồng độ trong tầng đối lưu dao động lớn, từ 1ppb –
2000 ppb tùy theo vị trí  ơ nhiễm SO2 mang tính khu
vực
 Nguồn thải chính:
 Do thời gian lưu thấp, nên SO2 ít xâm nhập vào tầng
bình lưu
 SO2 là ngun nhân chính gây ra mưa axit

 Ơ nhiễm nặng SO2: cây chậm phát triển, lá cây bạc
màu và chết
 Làm giảm tốc độ phát triển của các đồng cỏ

b) Các oxit của nitơ (NOx)

51

52

Biện pháp hạn chế phát thải SO2:

 Nguồn thải chính:

 Xử lí loại SO2 khỏi khí thải;

 Do hoạt tính hóa học cao nên thời gian lưu của NOx
trong tầng đối lưu ngắn.

 Tách lưu huỳnh khỏi nhiên liệu trước khi đốt;

 Nồng độ trong tầng đối lưu dao động từ 1 ppb – 0,5 ppm

 Sử dụng loại nhiên liệu chứa ít lưu huỳnh;

 Là nguyên nhân gây ra mưa axit và sương khói quang
hóa

 Thay thế việc đốt nhiên liệu bằng các nguồn năng
lượng khác

 Khi xâm nhập vào tầng bình lưu, NOx tham gia phản
ứng với O3 làm ảnh hưởng tới nồng độ ozon trong vùng
này

d) Các hợp chất hữu cơ

c) Các oxit của cacbon
53

54

Metan, CH4

 Tính chất vật lí của 2 oxit: CO và CO2

 Nguồn CH4 trong khí quyển:

 Nguồn thải:

 Thời gian lưu lớn (3 năm)  CH4 phân bố khắp tầng
đối lưu

 Ngộ độc CO để lại nhiều di chứng cho con người từ nhẹ
đến nặng

 Nồng độ hiện tại khoảng 1,75 ppm; tốc độ gia tăng
hàng năm là khoảng 2%

 Ở nồng độ CO cao (100 – 1000ppm) lá của thực vật bị

rụng, xoắn, cây non bị chết

 Là khí góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính “kép”.
 Chu trình chuyển hóa của CH4: 2 – 7% bị hấp thụ, 6 12% bị chuyển vào tầng bình lưu, phần lớn bị phân hủy
trong tầng đối lưu

 Chỉ có khoảng ½ lượng khí CO2 thải ra hàng năm được
thực vật và nước hấp thụ, còn lại tồn lưu trong khí
quyển
 Là nguyên nhân của hiện tượng “hiệu ứng nhà kính”

9


03-Mar-21

Các phản ứng oxy hóa mêtan chủ yếu khi có mặt NOx
trong tầng đối lưu vào ban ngày

Các
hidrocacbon khác
56
 Trong khí quyển có trên 600 loại hidrocacbon, trong
đó loại gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con
người là hidrocacbon thơm đa vịng (Polycyclic
Aromatic Hydrocarbon – PAH), có từ 2 vòng benzen
trở lên
 Nguồn gốc: từ tự nhiên và nhân tạo

Phản ứng quan trọng nhất trong tầng đối lưu là với gốc

hydroxyl:
CH4 + .OH  CH3 + H2O

 Tác hại: Các PAH xâm nhập vào cơ thể có thể gây đột
biến gen, ung thư…tùy thuộc vào hàm lượng và số
vòng benzen trong các phân tử PAHs.
 Một số PAH điển hình:
55

Cơng thức cấu tạo và cơng thức phân tử của một số PAH
58

Các dẫn xuất halogen của các RH
 Thế nào là dẫn xuất halogen?
 Clorofluorocarbons (CFCs) – là các hợp chất bay hơi có
từ 1-2 C trong phân tử, liên kết với các nguyên tử Cl
hoặc F.
CCl3F (CFC-11), CCl2F2 (CFC-12), C2Cl3F3 (CFC113), C2Cl2F4 (CFC-114) và C2ClF5 (CFC-115)

57

Các CFC được dùng trong các máy điều hòa nhiệt độ/các
máy làm lạnh trước 1980, trong các quy trình làm sạch các
59
thiết
bị điện tử dễ hỏng và là sản phẩm phụ của một số q
trình hóa học. Là chất mang cho các loại sơn phun, bình
xịt...

• Khi các phân tử CFCs xâm nhập vào tầng bình lưu,

phản ứng phân hủy xảy ra như sau:

CFC là các hóa chất làm giảm ơzơn, đi vào tầng bình lưu
bị phân tách ra bởi các tia cực tím, tạo thành các nguyên tử
clo. Các nguyên tử clo phản ứng như một chất xúc tác, có
thể phá hủy hàng ngàn phân tử ơzơn trước khi ra khỏi tầng
bình lưu.

• Ngun tử clo giải phóng ra sẽ phản ứng với ozon
trong tầng bình lưu

Nếu các CFC phân tử tồn tại lâu, thời gian tái tạo phải tính
bằng thập kỷ. Một phân tử CFC mất trung bình 15 năm để
đi từ mặt đất lên đến các tầng trên của khí quyển và tồn tại
khoảng một thế kỷ, phá hủy đến cả trăm ngàn phân tử
ơzơn trong thời gian này.

• Các phản ứng trên cứ lặp đi lặp lại n lần và làm nồng độ
ozon trong tầng bình lưu bị suy giảm.
Loại chất nào được sử dụng ngày nay để thay thế cho CFCs 60?

10


03-Mar-21
• CFC là các chất hyđrocacbon chỉ có thành phần clo và
flo là các chất phá huỷ tầng ôzôn mạnh nhất nên đã bị
cấm từ 1.1.1996.
• HCFC là các chất có đầy đủ các thành phần hyđrơ, clo
và flo có tiềm năng phá huỷ tầng ơzơn ít hơn, là các ga

lạnh quá độ, được sử dụng đến 2030 (Việt nam đến
2040)
• (HCFC) Frêơn là các cacbua hydro no và chưa no như
CH4, C2H6, C2H4 mà các nguyên tử hydro được thay thế
một phần hoặc toàn bộ bằng các nguyên tử clo và flo.

62

Các Halon
 Halon tương tự như CFC nhưng có chứa cả 3
halogen trong phân tử: F, Cl, Br
 Các Halon thường gặp: CBrClF2 (Halon-1211),
CBrF3 (Halon-1301) và C2Br2F4 (Halon-2402).
 Ứng dụng: Các halon thường được sử dụng để dập
lửa
 Khi xâm nhập vào tầng bình lưu, các Halon phân
hủy tạo nguyên tử Br. Ở nồng độ Br chỉ khoảng
0,02 ppb, nó có thể phân hủy O3 lớn hơn Cl khoảng
20%.

61

e) Các hạt lơ lửng trong tầng đối lưu
64Do diện tích bề mặt lớn, các hạt lơ lửng làm tăng tốc
độ phản ứng hóa học trong khơng khí.

63

 Những hạt cực nhỏ có thể gây tán xạ ánh sáng, dẫn
đến các thay đổi phức tạp về khí hậu.

 Nguồn gốc hình thành hạt:
 Kích thước các hạt rất nhỏ (~ 2,5 µm) nên rất khó lắng,
chỉ được rửa trơi theo nước mưa, tuyết (ngưng tụ ướt)
hay bám vào bề mặt trong q trình di chuyển (ngưng tụ
khơ)

 Phơi nhiễm trong thời gian dài có thể gây ra nhiều tác
hại cho con người.

Các hạt chứa hợp chất chì

Muội than (soot)

 Có
nguồn gốc nhân tạo (90%) sinh ra từ việc đốt cháy các
66
nhiên liệu hóa thạch có pha thêm chì

65Hình thành từ q trình đốt cháy khơng hồn tồn nhiên
liệu hóa thạch hoặc sinh khối

 Các hạt lớn sẽ bị sa lắng ngay gần nguồn phát thải, cịn
các hạt bé có thể bay lơ lửng một thời gian khá dài trong
khí quyển và có thể phát tán rất xa.

 Là cacbon khơng tinh khiết kết hợp với nhiều hợp chất
hữu cơ (PAHs…) nên có tính độc cao
Tro bay (fly ash)

 Chì có trong khói thải đã gây “ngộ độc” hệ xúc tác lắp
trong ống xả để giảm phát thải CO, NOx và các
hydrocacbon dẫn đến gia tăng nồng độ các khí này trong
khí thải.

 Là các hạt khống nhỏ xuất phát từ việc đốt nhiên liệu
hóa thạch có hàm lượng tro cao
 Thành phần chủ yếu phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử
dụng: SiO2, Al2O3, K2O, Fe2O3, C, Na2O, SO2, CaO,
P2O5, MgO, CO32-….

 Các hạt bụi chì gây tác hại cho con người qua đường hơ
hấp và tiêu hóa (gây kích thích và tê liệt thần kinh).

11


03-Mar-21

Amiăng (asbestos)
 Là một nhóm các khống silicat có dạng sợi, đặc biệt là
các khống thuộc nhóm xecpentin, cơng thức gần đúng là
Mg3P(Si2O5)(OH)4.
 Trước đây, amiang được sử dụng rất phổ biến trong xây
dựng, sản xuất má phanh, tấm vách ngăn, các loại đường
ống.
 Hít phải khơng khí có chứa bụi amiăng sẽ bị bệnh phổi
do amiăng (asbestosis – một dạng viêm phổi có điều
kiện), u tế bào biểu mơ của màng khoang lồng ngực và
ung thư phế quản.

 Ngày nay việc sử dụng amiăng đã bị hạn chế
67

Quá trình tạo thành các chất hóa học ở tầng đối lưu

69

68

a) Hiệu ứng nhà kính (greenhouse effect)

5. Tác động tổng hợp của các chất
ơ nhiễm khơng khí

70

 Hiệu ứng nhà kính
 Sự suy giảm nồng độ ozon trong tầng bình lưu
 Sương khói quang hóa
 Mưa axit

 Hiệu ứng nhà kính là gì?

Ước tính phần trăm đóng góp của một số chất đến hiệu ứng nhà
72
kính tự nhiên và gia tăng nhiệt độ trung bình tồn cầu

71Vai trị của hiệu ứng nhà kính?
 Các khí nhà kính chủ yếu: H2O, CO2, CH4, N2O, CFCs

Tên chất

Cơng

Phần trăm đóng Phần trăm đóng góp

 So sánh khả năng hấp thụ bức xạ của các khí nhà kính:

/Ký hiệu

thức

góp vào hiệu ứng vào gia tăng nhiệt độ
nhà kính tự nhiên trung bình tồn cầu
(%)

12

(%)

Hơi nước

H2O(k)

88,9

0

Cacbon dioxít

CO2(k)

7,5

46,6

Cacbon

C(r)

0,2

16,4

Mêtan

CH4(k)

0,5

14,0

Ozon

O3(k)

1,1

11,9

Nitơ (I) oxít

N2O(k)

1,5

4,2


03-Mar-21

Ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính đến sự biến đổi

b) Sự suy giảm nồng độ ozon trong tầng bình lưu

73

74

khí hậu mơi trường trái đất:

 [O3]max = 8 – 10 ppm ở độ cao 15 – 35 km (tầng ozon).

Nhiệt độ trung bình tồn cầu tăng;
Băng tan, nước biển dâng, mất nhiều diện tích sinh
sống và trồng trọt;

 Mật độ ozon trong khơng khí thường được đo bằng đơn
vị Dobson (DU).

Nước sông hồ giảm do hiện tượng bay hơi;

1DU = 2,7.1016 phân tử O3/cm2 bề mặt

Sự thay đổi nhiệt độ không đồng đều giữa lục địa và
đại dương dẫn tới sự biến đổi mạnh của khí hậu địa
phương và khu vực.

 Tác dụng của tầng ozon?

Trạng thái ozon qua các tầng khí quyển
 Bức xạ tử ngoại chia làm 2
vùng:
- UV xa (100 – 280 nm)
- UV gần (280 -400 nm)
 UV gần chia thành 3 vùng nhỏ:
- UV - A (315 – 400 mn)
- UV - B (280 - 315 nm) và
- UV - C (100 - 280 nm)

75

77

78

• Phản ứng phân hủy ozon

• Phản ứng tạo thành ozon trong tầng bình lưu

M là tác nhân trung gian

13


03-Mar-21

79

Phản ứng phân hủy ozon bởi cấu tử X nêu trên cũng có
thể bị gián đoạn, do X hay XO tham gia các phản ứng
khác, ví dụ:

Vì vậy, các phân tử HNO3, HCl, ClONO2 (clorin nitrat)
được xem là nơi chứa tạm thời của các tác nhân xúc tác
phân hủy ozon
80

81

82

S= 3.107 km2

 Hậu quả: suy giảm nồng
độ ozon tại Nam cực =>
tạo lỗ thủng tầng ozon.
 Qui ước quốc tế: Mật độ
ozon < 220 DU  lỗ
thủng tầng ozon.

Lỗ thủng lớn nhất của tầng ozon ở
Nam cực ghi nhận được (21-30/9/2006)

 Trên bề mặt các hạt băng xảy ra phản ứng:

83
Nguyên
nhân gây lỗ thủng tầng ozon

ClONO2 + H2O  HOCl + HNO3

to,

 Do sự chênh lệch
mùa đông ở Nam cực thường có
lốc xốy rất mạnh ở độ cao 10 – 15 km

ClONO2 + HCl  Cl2 + HNO3

 Khối không khí chứa các hạt băng bên trong cơn lốc bị
cơ lập khơng thể tiếp xúc, hịa trộn với khơng khí bên
ngoài, nên các phản ứng này làm tăng lượng clo và
HOCl, cung cấp Cl, là tác nhân làm suy giảm ozon.

 Vì to thấp, nên kk rất khơ  q trình tạo mây chỉ xảy
ra ở nhiệt độ rất thấp (-75oC), mây chứa các hạt HNO3.3
H2O đơng đặc có diện tích bề mặt lớn – mây tầng bình
lưu vùng cực loại 1 (type 1 PSC - polar stratospheric
clouds)

 Khi mặt trời mọc vào mùa xuân, bức xạ tử ngoại của
ánh sáng Mặt trời phân hủy Cl2 và HOCl tạo ra một
lượng lớn Cl tự do làm phân hủy ozon rất nhanh chóng

 Các hạt băng axit trên hấp thụ NO2 và giữ chúng dưới
dạng axit, nên không xẩy ra phản ứng giữa ClO và NO2

84

14


03-Mar-21

c) Sương khói

Hậu quả của sự suy giảm của nồng độ ozon trong
tầng bình lưu

86

 Sương khói là thuật ngữ dùng để chỉ một hiện tượng ô
nhiễm môi trường, được đưa ra bởi Henry Antoine Des
Voeux năm 1905

• Tầng ozon hấp thụ bức xạ tử ngoại UV-B. Bức xạ nhóm
UV-B có thể hủy hoại ADN và một số hệ sinh học
• Đối với thực vật: Làm giảm lượng thực vật phù du
giảm năng suất sinh học của đại dương  làm ảnh hưởng

đến chuỗi thức ăn
• Đối với con người:
- Làm da cháy nắng, lóa mắt, lão hóa da, đục thủy tinh
thể, ung thư da hay ung thư mắt.
- Ảnh hưởng có hại đến hệ miễn dịch da, do đó làm các
bệnh liên quan đến da như sởi, sốt rét, phong,… trở nên
phức tạp hơn.

 Nguồn: Sương mù + khói thải đốt nhiên liệu hóa thạch
 Tác hại: tạo ra nhiều chất gây ơ nhiễm thứ cấp có hại
cho động vật và mơi trường
 Phân loại: - Sương khói kiểu London
- Sương khói kiểu Los Angeles

85

87

Sương khói kiểu London

88

1952

 Điều kiện hình thành: Địa hình + khói thải + khí hậu
 Giải thích bản chất hiện tượng sương khói: Các phân tử
khói bụi chứa SO2 quyện vào các hạt sương, tồn tại sát
mặt đất trong thời gian dài do hiện tượng đảo nhiệt
kém.
 Tác hại: Dạng sương khói này đã làm chết gần 4000

người trong 5 ngày (05 – 10/12/1952) tại London

89

Sương khói kiểu Los Angeles

90

 Đây là dạng sương khói quang hóa (photochemical
smog)
 Nguồn gốc: Khí thải từ phương tiện giao thông + ánh
sáng mặt trời
 Thành phần: chứa nhiều chất ô nhiễm thứ cấp như ozon,
NO2, HNO3, hạt keo khí và anđêhit và peroxyaxetyl
nitrat (CH3C(=O)O2NO2, PANs)
 Sương khói làm cho khơng khí có màu nâu mờ do có
chứa NO2

15


03-Mar-21

Điều kiện và sự tạo thành sương khói quang hóa

Điều kiện và sự tạo thành sương khói quang hóa

92

91

Các phản ứng tạo thành sương khói
94

Tác hại của sương khói quang hóa

 Đối với động vật và con người: sương khói quang
hóa kích thích gây cay bỏng mắt, khó thở, mệt mỏi,
gây hại đến khí quản và phổi.
 Với thực vật: Sương khói quang hóa ngăn cản q
trình quang hợp ở thực vật, làm lão hóa cao su, ăn
mịn kim loại và nhiều loại vật liệu khác

Phản ứng tạo thành PAN

 Hiện tượng này thường xảy ra tại các thành phố lớn
với mật độ giao thông cao như Los Angeles, Mexico
và Baghdad
93

d) Mưa axit

Tác hại của mưa axit

95

96

 Thế nào là mưa
axit?

 Ảnh hưởng tới nguồn nước tự nhiên
 Làm suy giảm mạnh tính đa dạng về lồi của hệ động thực
vật thủy sinh

 Nước mưa thơng
thường có giá trị
pH nằm trong
khoảng nào ? Giải
thích?

 Làm tăng nồng độ các ion kim loại độc trong nước, ví dụ
nồng độ ion nhơm trong nước tăng tỷ lệ với độ axit
 Gây hại đến mùa màng do ảnh hưởng đến sự rửa trôi các
nguyên tố, chất dinh dưỡng trong đất cần cho sự phát triển
của thực vật

 Với giá trị pH như
thế nào thì được
gọi là mưa axit ?

 Ảnh hưởng đến các cơng trình xây dựng, bể chứa, đường
ống dẫn nước do có khả năng ăn mịn

16


03-Mar-21

97

e) Ơ nhiễm khơng khí trong nhà

Một
số biện pháp giảm thiểu ơ nhiễm khơng khí trong
98
nhà
 Khơng hút thuốc trong phịng kín

 Ơ nhiễm trong nhà là dạng ơ nhiễm khơng khí bên
trong có thể gây hại tới sức khỏe con người

 Bếp đun nấu, lị sưởi phải có ống thơng gió hút hơi khí thải
từ bếp để đẩy hơi khí ơ nhiễm ra ngồi nhà.

 Nguồn gây ơ nhiễm: vi sinh vật (nấm mốc, vi khuẩn),
hóa chất (như CO, CO2, NOx, SO2, radon), formaldehit,
các chất hữu cơ bay hơi (volatile organic compounds,
VOC), bụi PM10 (các hạt kích thước dưới 10 micron),
các chất gây dị ứng từ vật nuôi,…

 Các máy văn phòng (máy in, fax) cần để ở chỗ thơng
thống.
 Sử dụng các loại nước tẩy rửa, thuốc xịt chứa ít các chất
gây hại.
 Ngăn ngừa khe thẩm thấu khí radon từ ngồi vào nhà.

99

6. Chỉ số và tiêu chuẩn chất lượng mơi trường

khơng khí

100

 Chỉ số chất lượng khơng khí (AQI - Air Quality Index ) là
chỉ thị tiêu chuẩn cho chất lượng khơng khí ở một khu vực

7. Một số biện pháp bảo vệ
mơi trường khơng khí

a. Quản lý và áp dụng các công cụ pháp lý

 AQI là chỉ số đại diện cho nồng độ của một nhóm các chất ơ
nhiễm gồm: CO, NO2, SO2, O3 và bụi trong khơng khí ở từng
khu vực

b. Thực hiện định kỳ kiểm tốn nguồn thải
c. Áp dụng các cơng cụ kinh tế quản lý tài ngun khơng
khí

 Giá trị AQI cao nhất đo được của các chỉ tiêu thành phần
sẽ là giá trị AQI trong ngày

d. Sử dụng các nguồn nhiên liệu và năng lượng thân thiện
với môi trường

 Chỉ số chất lượng khơng khí tương tự đã được sử dụng tại
nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Đan Mạch, Thái Lan,
Malaysia, Việt Nam, …

17


03-Mar-21

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Hóa và Mơi Trường, Bộ mơn Hóa Cơ sở
***********

CHƯƠNG 2
HĨA HỌC MƠI TRƯỜNG THỦY QUYỂN

HĨA HỌC MÔI TRƯỜNG

1

Đinh Thị Lan Phương

2

Email:
ĐT: 0988771363
Đinh Thị Lan Phương

1. Tài ngun nước và vịng tuần hồn nước
3

Nội dung

4

1. Tài ngun nước và vịng tuần hồn nước

- Cơng thức hóa học và đặc điểm cấu tạo của nước

2. Thành phần của nước thiên nhiên

- Tính chất:
• Các trạng thái tồn tại, màu sắc

3. Các phản ứng hóa học chủ yếu trong nước

• Momen lưỡng cực

4. Ơ nhiễm nước

• Nhiệt độ sôi

5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường nước

• Khả năng hịa tan
• Sức căng bề mặt, tỷ trọng
• Nhiệt bay hơi, nhiệt hịa tan, nhiệt dung riêng

5

6

18

03-Mar-21

7

Phụ thuộc vào 4 q trình:

2. Thành phần hóa học của nước tự nhiên

8

Thành phần hóa học của nước tự nhiên phức tạp, phụ
thuộc vào nhiều yếu tố:
- Phụ thuộc mạnh vào tính di động của các chất:
+ Các chất di động rất mạnh: Cl, Br, I, S…
+ Các chất dễ di động: Na, K, Mg, Ca…
+ Các chất ít di động: SiO2, P, Mn…
+ Các chất di động rất yếu: Fe, Al, Ti …

Q trình hóa học:
- Hịa tan chất rắn ↔ Chất rắn kết tinh
- Hấp thụ khí ↔ giải hấp khí
- Các q trình trao đổi chất
- Các q trình oxi hóa – khử
Q trình vật lí:
- Quá trình biến đổi trạng thái của nước
- Quá trình trộn lẫn các nguồn nước có thành phần khác
nhau
Q trình sinh hóa:
- Q trình quang hợp

- Q trình phân giải các chất hữu cơ tạo CO2, H2S, SO42, NO3- nhờ các vi sinh vật.
Q trình phong hóa: Q trình phong hóa đưa vào nước
rất nhiều các chất hịa tan khác nhau phụ thuộc vào thành
phần của đá mẹ.

Các thành phần của nước tự nhiên
9

10

- Phụ thuộc vào sự tương tác của nước với các chất:
lk hidro, lưỡng cực –lưỡng cực, lưỡng cực-lưỡng cực
cảm ứng

a) Khí hồ tan trong nước
DO - Dissolved oxygen

- Phụ thuộc vào khí hậu:

- Khái niệm DO

Làm thay đổi các q trình phong hóa

- Các nguồn làm giàu và làm giảm O2 trong nước

Làm thay đổi sự hoạt động của các sinh vật trong
nước

- Các yếu tố làm ảnh hưởng đến sự thay đổi DO:

Làm thay đổi các q trình oxi hóa – khử trong nước

+ Điều kiện khí hậu, thời tiết: chủ yếu vào nhiệt độ và
áp suất môi trường
+ Độ sâu của nước

BT1. Hàm lượng oxi trong một mẫu nước hồ đo được ở
12

25oC là 4,3 mg/l. Hãy tính phần trăm bão hịa oxi trong nước
biết hằng số Henry của oxi ở

25oC

là

1,3.10-3

+ BOD, Biological Oxygen Demand
+ COD, Chemical Oxygen Demand

mol/l.atm và

áp suất riêng phần của oxi trong khí quyển là 0,21 atm.
BT2. Oxi hịa tan trong nước (DO) trong mẫu nước được

Giá trị BOD
(ppm)

Chất lượng nước

1-2

Rất tốt-khơng có nhiều chất thải hữu cơ

xác định là 3,8 mg l-1. Nhiệt độ của mẫu là 15oC và áp suất

3-5

Tương đối sạch

là 760 mmHg. Tính phần trăm bão hịa của DO trong mẫu

6-9

Hơi ơ nhiễm

10+

Rất ơ nhiễm

nước biết hằng số Henry đối với O2 ở
1

15oC

là

1,5.10-3

mol

l-

atm-1. Biết áp suất riêng phần của oxi là 0,2095 atm.

19


03-Mar-21

Khí cacbonic hịa tan trong nước
13

Cá hồi, cá vược, động
vật phù du, giáp xác,
ấu trùng chuồn chuồn

Cá kém chất
lượng, cá trê,
ấu trùng ruồi…

Khơng có cá;
giun đất, ấu
trùng ruồi và
muỗi…

Cá kém chất
lượng, cá trê,
ấu trùng ruồi…

- CO2 là một chất khí ít tan trong nước, độ tan tăng lên khi tăng áp
suất và giảm nhiệt độ
- Phản ứng CO2 tương tác với nước phụ thuộc vào pH của nước:
pH < 5 :
CO2 + H2O ↔ H2CO3
5 < pH < 8: H2CO3 ↔ H+ + HCO3pH > 8:
HCO3- ↔ H+ + CO32- Các nguồn cung cấp CO2 trong nước:

Cá hồi, cá vược, động
vật phù du, giáp xác,
ấu trùng chuồn chuồn

- Các quá trình làm giảm CO2 trong nước:
Các khí hịa tan trong nước khác: H2S

Hàm lượng H2S cao trong lớp nước sâu, đặc biệt là nước
ngầm.
BT3. Một mẫu nước tự nhiên có [HCO3 ] = 75 mg/L;
[CO32-] = 45 mg/L ở 25oC. Tính pH của mẫu nước trên,
cho biết axit H2CO3 có các hằng số điện li axit K1 =
4,47×10-7 và K2 = 4,68×10-11.

15

b) Các chất rắn hịa tan trong nước
Total suspended solids – TSS

16

Total dissolved solids – TDS

Thành phần hóa học TB của nước sơng hồ và nước biển tồn cầu

 Thành phần: các hạt chất vô cơ, hữu cơ kể cả các hạt chất
lỏng không trộn lẫn với nước: các hạt đất sét, phù sa, hạt
bùn, sợi thực vật, tảo, vi khuẩn,…
 Chất rắn lơ lửng thường có trong nước mặt do hoạt động
xói mịn nhưng ít có trong nước ngầm do khả năng tách
lọc tốt của đất.
 Ngoài các hạt chất rắn lơ lửng có nguồn gốc tự nhiên,
nhiều chất rắn lơ lửng xuất phát từ các hoạt động sinh
hoạt, sản xuất của con người.

BT4. Hàm lượng khí CO2 hịa tan trong nước ở 20oC là 5,5
mg/l. Hãy tính giá trị pH của nước thu được với giả thiết rằng
nước không chứa ion khác. Biết giá trị hằng số điện ly nấc 1 của
H2CO3 là 4,45.10-7 và coi axit này phân ly chủ yếu theo nấc 1.

Thành phần hóa học TB của nước sơng hồ và nước biển tồn cầu

18

c) Các ion chính trong nước tự nhiên

Ion clo (Cl-)
- Ion Cl- là loại ion âm phổ biến nhất, đặc trưng cho
nước có độ khống hóa cao.
- Hàm lượng của Cl- trong nước tự nhiên từ 0 đến
170 g/l

- Nguồn gốc của ion Cl- :
17

20


03-Mar-21

Ion sunfat (SO42-)
Ion SO42- là loại ion quan trọng trong nước thiên
nhiên, gặp nhiều trong nước có độ khống hố thấp.
Hồ nước ngọt hàm lượng SO42- cao hơn trong nước
sông. Trong nước biển hàm lượng SO42- giảm dần
theo độ sâu
Nguồn gốc của SO42-:

19

-

•

Từ khí manti, khí quyển: H2S, SO2, SO3

•

Từ khống vật sunfua, dung nham trầm tích chứa

20

Hàm lượng:
•

Nước lục địa: lượng vết ~ vài trăm
mg/L

•

Nước đại dương: Cl- > SO42- (9,28%
tổng hàm lượng anion) > HCO3- + CO32-

CaSO4.2H2O; Oxi hóa lưu huỳnh trong tự nhiên
•

Phân hủy xác sinh vật:

•

Nước thải cơng nghiệp

Ảnh hưởng, tác động
•

22

Ion kim loại kiềm Na+, K+

Mùi:
- Theo sự phân bố, ion Na+ chiếm nhiều nhất trong
các loại cation, chiếm 84% tổng khối lượng của các

cation

pH ≥ 8 (khơng mùi; vì ở dạng S2- và HS-); pH < 8:
cân bằng chuyển dịch về H2S, mùi hôi

- Ion Na+ đặc trưng cho nước có độ khống hố cao

• Ăn mịn đường ống:
- Nguồn gốc của Na+:

• Ở nồng độ cao xâm thực bê tông: tạo ra CaSO4.2H2O có hệ
số giãn nở cao làm cho bê tơng bị rạn nứt.
Nước sinh hoạt: SO42- có vị chát, gây tiêu chảy.

•

23

24

- Hàm lượng ion K+ thường chiếm khoảng 4  7% so
với hàm lượng Na+ , gặp nhiều trong nước có độ
khống hóa thấp

Các ion Ca2+, Mg2+…

- Trong nước thiên nhiên có độ khống hố thấp thì
Ca2+ là chính.
- Trong nước có độ khống hố cao thì hàm lượng

- Ngun nhân hàm lượng K+ trong nước tự nhiên rất
thấp:

Mg2+ > Ca2+

• K+ bị đất và nham thạch hấp phụ mạnh

- Nguồn gốc của Ca2+,Mg2+

• K+ là chất dinh dưỡng của thực vật nên nó bị
thực vật hấp thụ rất cao so với Na+

24

21


03-Mar-21

25

Các ion HCO3- và CO32-

26

Hợp chất sunfua

- Ion HCO3- và CO32- là thành phần chủ yếu trong nước
thiên nhiên, đặc biệt là trong nước có độ khống hố thấp.

- Trong nước thiên nhiên, các hợp chất sunfua có thể tồn
tại dạng axit H2S, HS- và S2-.

- Ion HCO3- xuất hiện trong nước là do q trình hồ tan
các muối cacbonat do tác dụng của CO2’

- Các dạng H2S, HS-, S2- tồn tại phụ thuộc giá trị pH của
nước.

- Ion CO32- xuất hiện do sự điện ly của HCO3-. Hàm
lượng CO32- tỷ lệ thuận với hàm lượng HCO3- và tỷ lệ
nghịch với hàm lượng H+.

- Nguồn cung cấp H2S trong nước:

25

27

Các hợp chất của nitơ

28

Hợp chất của photpho

- Tồn tại ở dạng các ion của axít phơtpphoric (gọi là
phơtpho khống vật) và ở dạng hoá hợp trong các
hợp chất hữu cơ (gọi là phôtpho hữu cơ).

- Các hợp chất vô cơ của nitơ thường thấy trong nước là

NH4+, NO2- và NO3-.
- Nguồn gốc chính:

- Hàm lượng dạng HPO42- > H2PO4- > PO43-

- Ion NO2- rất không ổn định. Ở tầng nước mặt nó sẽ bị
oxy hố thành NO3- nhưng ở tầng nước ngầm thì NO2- lại
có nhiều
- Hàm lượng ion NO3- trong nước thường cao hơn NO2-.
Sự tồn tại của nó trong nước lại ngược với NO2-.

29

Hợp chất của sắt và silic

30

- Sắt tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như Fe2+,
Fe3+, Fe(HCO3)2, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe(OH)+,
Fe(OH)2+, Fe(OH)2+

d) Các chất hữu cơ

 Nguồn gốc của các chất hữu cơ trong nước: chất thải sinh
hoạt, chất thải công nghiệp, giao thông…
 Phân loại các chất hữu cơ thành hai nhóm dựa vào khả
năng bị vi sinh vật phân hủy:

- Nguồn gốc:
- Silic trong nước thiên nhiên có thể tồn tại ở dạng

các hợp chất vô cơ và các hợp chất hữu cơ.
- Dạng các hợp chất vô cơ của silic là: H2SiO3, HSiO3-,
SiO32-.

22


03-Mar-21

31

32

- Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học: các chất
đường, chất béo, protein, dầu mỡ động thực vật,...). Trong
môi trường nước các chất này dễ bị vi sinh vật phân hủy
tạo thành CO2 và nước.

Thành phần sinh học của nguồn nước phụ thuộc chặt
chẽ vào đặc điểm, thành phần hóa học của nguồn nước,
chế độ thủy văn và địa hình nơi cư trú

- Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: các hợp
chất clo hữu cơ dùng làm thuốc bảo vệ thực vật, các hợp
chất đa vòng ngưng tụ: pyren, naphtalen, anthraxen,
dioxin...). Các chất này có độc tính cao, bền vững trong
mơi trường…

33

Các loại sinh vật tồn tại trong nguồn nước tự nhiên chủ
yếu: vi khuẩn, vi rút, nấm, tảo, cây cỏ, động vật nguyên
sinh, động vật đa bào, các loại nhuyễn thể, các loại
động vật có xương sống

34

Tảo

 Đặc điểm: là sinh vật hiếu khí và có thể phát triển trong
mơi trường axit cũng như mơi trường có hàm lượng kim
loại nặng cao.

hv
{CH2O} + O2


 Nguồn dinh dưỡng chủ yếu của tảo là C (cung cấp từ
CO2, HCO3-), N (cung cấp từ NO3-), P (từ PO43-), S (từ
SO42-) và một số kim loại như Na, K, Ca, Mg, Fe, Co,
Mo.

35

Nấm

 Nấm thường có cấu tạo dưới dạng sợi với độ rộng từ 5 – 10
m và khơng có khả năng quang hợp.

 Tảo tiêu thụ các chất dinh dưỡng vô cơ và tạo thành các

chất hữu cơ từ CO2 thông qua phản ứng quang hợp:
CO2 + H2O

d) Thành phần sinh học của nước thiên nhiên

 Có khả năng phân hủy xenlulơ thành các cabohyđrat hòa
tan và dễ hấp thụ.

Vi khuẩn (bacterium, số nhiều bacteria)

Động vật đơn bào

36

 Động vật đơn bào có khả năng sống độc lập hoặc ký sinh,
có kích thước rất đa dạng

 Vi khuẩn là các vi sinh vật có cấu tạo tế bào nhưng chưa có
cấu trúc nhân phức tạp và thường khơng màu, có hình thù
rất đa dạng

 Đặc điểm: dễ dàng thích nghi với điều kiện bên ngồi và
tồn tại rất phổ biến trong nước tự nhiên, nhưng chỉ có
một số ít thuộc loại sinh vật gây bệnh.

 Phân loại thành 2 dạng:

- Vi khuẩn tự dưỡng: sử dụng CO2 và các muối cacbonat
để cung cấp C và thu năng lượng.

 Chúng thường tạo lớp vỏ
kén bao bọc, rất khó tiêu diệt
trong q trình khử trùng.

- Vi khuẩn dị dưỡng: phụ thuộc vào nguồn dinh dưỡng
hữu cơ để có năng lượng và nguồn cacbon phát triển
sinh khối.

23


03-Mar-21

37

Vi rút
38

 Vi rút là nhóm vi sinh vật chưa có cấu tạo tế bào, có kích
thước nhỏ và do đó có thể lọt qua được màng lọc vi khuẩn.

- Nồng độ H+ và giá trị pH: pH = - log[H+]

 Đặc điểm: là những vật sống ký sinh cần phải sống bám
vào tế bào sinh vật chủ.

- Sự thay đổi nồng độ H+ trong nước thiên nhiên
+ Nồng độ ion H+ chủ yếu phụ thuộc tỷ lệ hàm
lượng giữa CO2, HCO3-, CO32- và một số ion khác.

 Để loại bỏ virut cần khử trùng đúng cách
 Hình ảnh virut H5N1:

39

40

+ Xét ảnh hưởng của CO2 hoà tan trong nước tới
nồng độ H+ trong nước:

[H + ]  K1.

Chú ý:

+ [H+] tỷ lệ thuận với [H2CO3], tỷ lệ nghịch với [HCO3-].

[H 2 CO3 ]
[HCO3- ]

+ Khi nước có nhiều CO2 hoà tan → pH sẽ giảm đi
và ngược lại
+ Trường hợp nước bão hồ CO2 trong khơng khí :
[CO2] = 6.10-4 g/l → pH = 5,7

K1: Hằng số điện ly nấc thứ nhất của H2CO3
+ Khơng tính nấc điện ly thứ 2 của H2CO3 vì
K2 = 5.6 x10-11 << K1 = 4.3 x 10-7

41

Nồng độ ion hidro (H+)

Trường hợp [H+] phụ thuộc vào các ion khác

42

3. Các phản ứng hóa học chủ yếu trong nước

Phản ứng tạo phức
- Giả thiết rằng trong nước chủ yếu có các ion HCO3-,
CO32- và Ca2+, cần tính xem [H+] phụ thuộc vào các
ion trên như thế nào:

a H 

 Các ion trong nước thường tồn tại dưới dạng phức
 Các phản ứng tạo phức rất phổ biến trong nước
 Các ion có khả năng tạo phức mạnh trong nước: axit
humic, aminoaxit, kim loại

K2
.f '  HCO3  .f '' Ca 2 
TCaCO3 

 Ví dụ: các kiểu tạo phức

- Vậy có thể căn cứ vào [HCO3-] và [Ca2+] trong nước
mà tính tốn ra pH, nồng độ [HCO3-] càng thấp thì
pH càng cao và ngược lại

Phức chất tạo bởi
ion M2+ và nitrilotriaxetat

24