PHẦN II: CƠ SỞ MÔI TRƯỜNG NƯỚC pptx

Liên kết hydro gây ra hiện tượng trùng hợp phân tử và do đó làm xuất hiện một số tính chất lý học và hoá học bất thường của các chất, cụ thể là: - Tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi

PH N II: C S MÔI TRẦ Ơ Ở ƯỜNG NƯỚ 4C

CHƯƠNG VI ĐẠI CƯƠNG V NỀ ƯỚC T NHIÊNỰ 4

6.1 S hình th nh n ự à ướ c, vai trò v s phân b c a n à ự ố ủ ướ c trong t nhiên ự 4

6.1.1 S hình th nh n ự à ướ c trên trái đấ t [1, 2, 3, 4] 4

6.1.2 Tác độ ng v vai trò c a n à ủ ướ đố ớ c i v i môi tr ườ ng [5, 6, 7, 8, 9] .4

6.1.3 L ượ ng n ướ c, s phân b v tiêu th n ự ố à ụ ướ c trên trái đấ t [5, 6] 7

6.2 S tu n ho n c a n ự ầ à ủ ướ 233 c 6.2.1 Chu trình c a n ủ ướ 233 c 6.2.2 Th i gian l u c a n ờ ư ủ ướ 234 c 6.3 Phân lo i n ạ ướ ự c t nhiên .235

6.3.1.Phân lo i theo s phân b : ạ ự ố 235

6.3.2 Phân lo i theo nhi t ạ ệ độ (ch y u áp d ng ủ ế ụ đố ớ ướ i v i n c khoáng): 235

6.3.3 Phân lo i theo pH: ạ 235

6.3.4 Phân lo i theo ạ độ ứ c ng ( H-me/l): 236

6.3.5 Phân lo i theo ạ độ khoáng hoá: .236

6.3.6 Phân lo i theo th nh ph n hoá h c ạ à ầ ọ 236

CHƯƠNG VII ĐẶC TR NG C A NƯ Ủ ƯỚ 238C 7.1 C u t o c a phân t n ấ ạ ủ ử ướ c v liên k t hydro [2, 3, 4, 16, 18] à ế 238

7.I.1 C u t o c a phân t n ấ ạ ủ ử ướ 238 c 7.I.2 Liên k t hydro ế 239

7.2 C u trúc c a n ấ ủ ướ c [2, 3, 16, 17] 241

7.2.1 Quan ni m v c u t o c a phân t n ệ ề ấ ạ ủ ử ướ 241 c Hình 7.1 Một mảnh nhỏ cấu trúc của nước 241

7.2.2 Ba tr ng thái c a n ạ ủ ướ 241 c TT 244

7.3 Tính ch t v t lý c a n ấ ậ ủ ướ c [1, 2, 3, 5, 16, 19] 245

7.3.1 T tr ng v th tích c a n ỷ ọ à ể ủ ướ 245 c 7.3.2 Các tính ch t nhi t ấ ệ 247

7.3.3 Độ nh t ớ 248

7.3.4 S c c ng b m t ứ ă ề ặ 250

7.3.5 áp su t th m th u ấ ẩ ấ 251

7.3.6 Tính ch t i n c a n ấ đ ệ ủ ướ 251 c 7.3.7 Tính ch t quang h c c a n ấ ọ ủ ướ c 253

7.4 Tính ch t hoá h c c a n ấ ọ ủ ướ c [2, 4, 7, 8, 21, 22] 254

7.4.1 Tính ch t dung môi c a n ấ ủ ướ 254 c 7.4.2 Cân b ng hóa h c c a n ằ ọ ủ ướ 259 c 7.4.3 Ph n ng oxy hoá-kh c a n ả ứ ử ủ ướ 263 c 7.5 Tính ch t sinh h c c a n ấ ọ ủ ướ c (n ướ à c l 1 h sinh thái) [1, 5, 6, 10, 12, 24, ệ 25] 264

7.5.1 N ướ à ự c v s trao đổ i ch t ấ 264

7.5.2 N ướ c, môi tr ườ ng s ng c a vi sinh v t ố ủ ậ 266

7.5.3 Các ch t dinh d ấ ưỡ ng trong n ướ 267 c 7.5.4 Vi sinh v t - xúc tác c a các ph n ng hoá h c trong n ậ ủ ả ứ ọ ướ 269 c 7.5.5 T m quan tr ng c a n ầ ọ ủ ướ đố ớ ệ c i v i h sinh thái 270

1

CHƯƠNG VIII CÁC LO I NẠ ƯỚC T NHIÊNỰ 276

8.1 N ướ c m a [2, 4, 19, 21, 23] ư 276

8.2 N ướ c bi n [2, 4, 6, 8, 15, 20, 23] ể 278

8.2.1 Đặ đ ể c i m th nh ph n hoá h c à ầ ọ 278

8.2.2 Độ mu i, ố độ clo v m i t à ố ươ ng quan c a các ion chính ủ 280

8.2.3 Giá tr pH c a n ị ủ ướ c bi n ể 283

8.2.4 Các tính ch t v t lý khác ấ ậ 284

8.3 N ướ c b m t [1, 5, 8, 10, 11, 14, 15] ề ặ 284

8.3.1 N ướ c tù 286

8.3.2 N ướ độ 289 c ng 8.3.3 N ướ ử c c a sông 295

8.4 N ướ c ng m [8, 10, 11, 19, 23, 26] ầ 296

8.4.1 Ngu n n ồ ướ c ng m ầ 296

8.4.2 Đặ c tính chung 297

8.4.3 Tính ch t c a n ấ ủ ướ c ng m ầ 299

8.5 M t s ộ ố đặ c tr ng chính c a n ư ủ ướ ự c t nhiên 301

8.5.1 Nhi t ệ độ ướ 301 n c 8.5.2 Ion hydro 301

8.5.3 Các h p ch t tan trong n ợ ấ ướ 301 c 8.5.4 Các khí 302

8.5.5 Các ch t l l ng ấ ơ ử 303

8.5.6 Qu n xã sinh v t ầ ậ 303

8.5.7 Tr ng thái v t lý c a n ạ ậ ủ ướ ự c t nhiên .304

8.5.8 S t o ph c trong n ự ạ ứ ướ ự c t nhiên v n à ướ c th i [7, 8, 10] ả 304

CHƯƠNG IX - Ô NHI M, QUÁ TRÌNH T LÀM S CH VÀ Ễ Ự Ạ 306

X LÝ NỬ ƯỚC T NHIÊNỰ 306

9.1 M t s v n ộ ố ấ đề chung v ô nhi m n ề ễ ướ 306 c 9.1.1 Khái ni m ô nhi m môi tr ệ ễ − ờ ng n ướ 306 c 9.1.2 Các lo i n ạ ướ c b ô nhi m ị ễ 307

Các thông số hoá học là các giá trị pH, DO, BOD, COD, các muối dinh dưỡng, các kim loại nặng, các khí hoà tan v v 307

- Lưu huỳnh (S) dưới dạng SO42- có thể đáp ứng nhu cầu cuả thực vật SH2 là chất độc đối với cá và một số thủy sinh động vật .308

- Ô nhiễm hoá học do chất vô cơ 308

- Ô nhiễm do các chất hữu cơ tổng hợp 308

c) Ô nhiễm sinh học của nước 309

9.1.3 Các thông s môi tr ố ườ ng chính xác nh n đị ướ c b ô nhi m ị ễ 310

9.2 Quá trình t l m s ch ngu n n ự à ạ ồ ướ 315 c 9.2.1 M t s v n ộ ố ấ đề chung v quá trình t l m s ch ề ự à ạ 315

9.2.2 Quá trình t l m s ch ngu n n ự à ạ ồ ướ c m t ặ 316

(9.1) 61

9.2.3 Quá trình t l m s ch n ự à ạ ướ c ng m ầ 70

9.3 M t s ph ng pháp x lý n c t nhiênộ ố ươ ử ướ ự 71

9.3.1 Ph ươ ng pháp l m m m n à ề ướ 71 c

9.3.2 Ph ươ ng pháp x lý s t ử ắ 72

9.3.4.Công ngh x lý amoni trong n ệ ử ư c ng m ớ ầ 78

9.3.5 Ph ươ ng pháp kh trùng ử 80

9.3.6 Lo i mu i trong n ạ ố ướ 83 c 9.3.7 Các ph ươ ng pháp khác x lý ngu n n ử ồ ướ ấ 85 c c p 9.3.8 Ph ươ ng pháp kh mùi trong n ử ướ 85 c CH ƯƠ NG X QU N LÝ VÀ KI M SOÁT CH T L Ả Ể Ấ ƯỢ NG N ƯỚ 86 C 10.1 Qu n lý v s d ng h p lý t i nguyên n ả à ử ụ ợ à ướ 86 c 10.1.1 M t s v n b n pháp lý chính liên quan ộ ố ă ả đế n qu n lý t i nguyên ả à n ướ 86 c 10.1.2 Qu n lý t i nguyên n ả à ướ 90 c Đẩy mạnh hợp tác quốc tế về bảo vệ, khai thác, sử dụng và phát triển tài nguyên nước trên cơ sở tôn trọng chủ quyền, toàn vẹn lãnh thổ và lợi ích quốc gia 90

Tổ chức 94

Ví dụ: Phân công quản lý LVS: 95

10.1.3 Th c hi n mô hình DPSIR trong ánh giá môi tr ự ệ đ ườ ng n ướ 97 c Các nội dung chủ yếu của các chỉ thị phục vụ quản lý môi trường lưu vực sông là: .98

10.2 M t s ph ộ ố ươ ng pháp ánh giá ch t l đ ấ ượ ng n ướ 112 c 10.2.1 ánh giá ch t l Đ ấ ượ ng n ướ c d a theo tiêu chu n môi tr ự ẩ ườ ng .112

10.2.2 ánh giá theo thang i m Đ đ ể 116

10.2.3 ánh giá t ng h p nhi u thông s Đ ổ ợ ề ố 119

10.2.4 ánh giá d a trên ch tiêu t ng h p Đ ự ỉ ổ ợ 120

10.2.5 ánh giá thông qua mô hình Đ 123

10.2.6 ánh giá d a theo ch th sinh v t Đ ự ỉ ị ậ 130

10.2.7 ánh giá qua Đ ướ c tính thi t h i kinh t ệ ạ ế 133

10.3 H th ng quan tr c ch t l ệ ố ắ ấ ượ ng n ướ 134 c Mẫu rời rạc (hay còn gọi là mẫu đơn giản): 137

Mẫu hỗn hợp: 137

3

PHẦN II: CƠ SỞ MÔI TRƯỜNG NƯỚC

CHƯƠNG VI ĐẠI CƯƠNG VỀ NƯỚC TỰ NHIÊN6.1 Sự hình thành nước, vai trò và sự phân bố của nước trong tự nhiên.

6.1.1 Sự hình thành nước trên trái đất [1, 2, 3, 4]

Học thuyết khoa học về quá trình xuất hiện của nước và hình thành sự sống trên hành tinh trái đất nhiều nhà khoa học công nhận nhất là thuyết về sự sống được bắt đầu từ những dạng vật thể vô cùng cô đọng, có tỷ trọng cực lớn tồn tại trong khoảng thời gian cách xa đây vô tận Học thuyết ấy cho rằng khoảng mười lăm đến hai mươi

tỷ năm trước đây đã xảy ra 1 vụ nổ lớn (Big Bang) Vụ nổ làm vật thể này tung thành những đám mây khí có nhiệt độ cao vô cùng, hơi nóng và hạt nguyên tử lan truyền khắp nơi Cùng với thời gian, đám mây khí nguội dần rồi cô đọng thành các thiên thể Hơn 10 tỷ năm sau vụ Big Bang, tinh vân Ngân Hà được hình thành trong đó có Mặt trời và Trái đất của chúng ta Khoảng 4,4-4,5 tỷ năm trước đây đã có quả đất với lớp

vỏ cứng nằm cách xa mặt trời khoảng 150.000.000 km Từ thời gian đó, những thay đổi chính đã xuất hiện theo một tỷ lệ tăng dần với thời gian Khí quyển qủa đất dần hình thành1 (trong phần I) và rồi nước xuất hiện khi băng giá tan chảy trên mặt đất2

Như vậy, cùng với quá trình hình thành trái đất, khí quyển, thì nước và sự sống cũng hình thành và dần dần xuất hiện trên các yếu tố cấu thành nên môi trường sống của chúng ta

6.1.2 Tác động và vai trò của nước đối với môi trường [5, 6, 7, 8, 9]

Trong khi hyrdo chỉ là một cấu phần rất nhỏ của toàn bộ quả đất thì nước là một thành phần chính, quan trọng đối với việc tồn tại và phát triển sự sống trên hành tinh Nước bao phủ 70% bề mặt trái đất (với độ sâu chứa nước từ 0-11 km (độ sâu chứa nước

1 : Khi nghiên cứu các lớp ngoài của mặt trời, các hành tinh và các ngôi sao, môi trường giữa các vì sao, tinh vân, sao chổi và các đối tượng khác trong vũ trũ, người ta đã phát hiện ra rằng: trong các đối tượng đó có mặt hầu hết mọi nguyên tố hoá học mà khoa học

đã biết Những nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ là Hydro và Heli Tổng số các nguyên tử của chúng trong nhiều các vì sao, tinh vân và trong môi trường giữa các ngôi sao lớn gấp trăm ngàn lần so với số nguyên tử của các nguyên tố còn lại Các nguyên tố C, N, O , Ne, Na,

Ca, Ti, Si, Fe là những nguyên tố phổ biến Trong vũ trụ các nguyên tố này ở dưới dạng nguyên tử và phân tử, hợp chất của chúng chủ yếu ở trạng thái ion hoá.

2 : Nước có mặt làm cho sự sống dần hình thành, cách đây 3 tỷ năm sự sống đầu tiên

đã xuất hiện ở biển có dạng như vi khuẩn và tảo ngày nay.

trung bình là 4 km) và có mối quan hệ khăng khít với không khí và đất

Cả đất, không khí và nước đều là những nơi mà các hoạt động của con người tác động lên rất mạnh mẽ Chẳng hạn, đất nông nghiệp bị xáo trộn do những thay đổi của đồng cỏ hoặc rừng; hay việc làm tăng các sản phẩm nông nghiệp có thể là nguyên nhân làm giảm lớp phủ thực vật, thay đổi sự thoát hơi nước của cây cối và ảnh hưởng đến điều kiện vi khí hậu Kết quả là tăng mưa, tăng xói mòn đất, gây tích tụ bùn và phù sa trong nước Tiếp đó chu trình dinh dưỡng có thể xảy ra với tần xuất cao hơn, dẫn đến thay đổi nồng độ của các chất dinh dưỡng trong lớp nước bề mặt Cứ như vậy, lần lượt, chúng có thể tác động một cách sâu sắc đến các tính chất hoá học và sinh học của nước

Mặt khác, nước với những tính chất rất đặc biệt và quý giá của nó mà ta sẽ xét ở chương sau đã là những điều kiện thiết yếu để tạo nên cuộc sống trên hành tinh này3 Nước được coi là dung môi “độc nhất”, dung môi “đa năng” có khả năng hoà tan rất nhiều chất Thêm nữa, cùng với khả năng bay hơi cao của mình, nước đã đóng vai trò điều khiển sự phong hoá hoá học của đất đá, cung cấp dinh dưỡng cho thực vật và vận chuyển các chất hoá học vào cơ thể sinh vật

Lịch sử nhân loại đã chỉ ra rằng sự cung cấp nước có mối liên hệ rất mật thiết với nền văn minh, với sự phát triển và diệt vong của nhân loại Hàng loạt các thành phố và nền văn minh bị biến mất do cạn kiệt nguồn nước dẫn đến sự biến đổi khí hậu, bởi:

- Sự phát triển giao thông và đô thị đã làm tăng các cơn lũ lụt là bởi các cây xanh và đất bị thay thế bằng các công trình xây dựng, các đường cao tốc Điều đó dẫn đến tăng tốc độ dòng chảy của các dòng nước mưa Nếu mực nước biển tăng trong các thế kỷ tới như dự báo thì một số vùng thấp ven biển, các vùng đất ngập nước và một số vùng đất trồng sẽ bị nhấn chìm xuống dưới mực nước biển

- Hàng triệu người trên thế giới, đặc biệt trong các nước đang phát triển bị thiệt mạng do các bệnh từ nước bẩn gây ra Các bệnh tật được sinh ra theo con đường nước

có thể gây chết đến 10% dân số của một thành phố Chất lượng nước kém do sự ô nhiễm nước ngày càng gia tăng đang đặt ra cho loài người những thử thách nặng nề Nhiều bệnh dịch do vi khuẩn và vi rút lây nhiễm theo con đường nước đã gây ra những thảm hoạ cho con người như bệnh dịch tả năm 1991-1992 ở Nam Mỹ Năm 2002, trận

lũ trên sông Ngàn Phố (một nhánh nhỏ của sôgn Cả) gây dịch tả, đặc biệt trâu bò

5

chết Hoặc như, theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới, thì trong vòng 24 giờ đồng

hồ có đến 13.000 trẻ em dưới 1 tuổi bị chết do nước bẩn, trên 1,5 tỷ người không có nước sạch để uống (số liệu trước năm 1996)

3 : Hiện nay chúng ta chỉ mới biết riêng hành tinh của chúng ta là có nước

- Sự có mặt của các hoá chất độc hại ở các quốc gia phát triển, chất thải hữu cơ clo hoá từ các sản phẩm hoá học công nghiệp, kim loại nặng từ các phân xưởng mạ kim loại, thuốc trừ sâu diệt cỏ, nồng độ muối khoáng tăng ở các cánh đồng nông nghiệp đã làm xấu đi các tính chất của các nguồn nước Mặc dù cho đến nay con người đã có nhiều biện pháp tích cực kiểm soát nguồn nước nhưng vẫn chưa thoát khỏi vấn đề ô nhiễm nước

Nước mà con người dùng được hầu hết là nước ngọt từ nguồn nước bề mặt và nước ngầm Nguồn nước này đang bị đe doạ nhiễm bẩn và cạn kiệt do việc xả thải và

sử dụng thiếu ý thức của con người, cộng thêm với sự gia tăng nhanh dân số thế giới 4 Các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp đều đòi hỏi một lượng nước rất lớn5 Mặt khác mức sống của dân chúng nâng cao cũng đã dẫn đến nước sử dụng cho sinh hoạt tăng lên nhiều lần so với vài ba thập kỷ trước Cách sử dụng nước ngọt như hiện nay

sẽ không thể bền vững nếu dân số toàn Thế giới lên đến 10 tỷ vào năm 2050 Nhiều nơi đã bị thiếu nước trầm trọng Nói chung tình trạng khan hiếm nước đang dần trở nên hết sức căng thẳng theo thời gian ở những địa điểm nhất định Trong những vùng khô hạn và các miền duyên hải hiện trạng thiếu nước cũng như nước bị nhiễm mặn đang là mối lo ngại buộc chúng ta cần sớm tìm ra các giải pháp hợp lý

Nước tham gia vào mọi quá trình xảy ra trên trái đất như địa mạo, địa hoá, xói mòn làm cho trên bề mặt trái đất hình thành nên các sông, suối, đồng bằng Nước trong khí quyển được coi là lớp áo giáp bảo vệ quả đất khỏi bị giá lạnh và điều hoà khí hậu, bởi vì nước có khả năng lưu giữ và ổn nhiệt tốt hơn mặt đất và không khí

Nước có ý nghĩa đặc biệt đối với mọi quá trình sinh học, nó là thành phần chính của mọi vật thể sống Trung bình trong một cơ thể sống, nước chiếm 80% Trong các động vật bậc cao, nước chiếm 60-70% trọng lượng cơ thể; các sinh vật biển như sứa và một số loài tảo, nước chiếm một tỷ lệ rất cao khoảng 98% trọng lượng cơ thể Nhưng

vi khuẩn ở trạng thái bào tử hoặc sinh khí lơ lửng mà bền vững thì hàm lượng nước chỉ là

50% Đối với con người, nước chiếm khoảng 70% trọng lượng cơ thể 6 Trong

4 : DSTG tăng gấp đôi từ 2,5 tỷ năm 1950 đến 5,0 tỷ năm 1987 Theo dự kiến của LHQ nếu độ mắn ổn định ở mức 2,5 con thì vào năm 2050 DSTG sẽ đạt 28 tỷ (một viễn cảnh xấu nhất), nếu độ mắn thấp hơn ở mức 1,7 con DSTG sẽ đạt 7,8 tỷ

5 : Ở hầu hết các nước,việc tưới tiêu trong nông nghiệp là nguồn tiêu thụ nước chính, chiếm khoảng 70% lượng nước rút ra trên thế giới, nhưng chỉ < 40% nước tưới tiêu được dùng để phát triển mùa màng, phần còn lại là lãng phí.

6: Trong cơ thể con người nước có trong sinh chất của các mô và tế bào (từ 20% trong xương đến 85% trong tế bào não) Người có trọng lượng trung bình nước chiếm 72,5% trọng lượng cơ thể, trong đó trong tế bào là 26,5% và ngoài tế bào là 46%.

cơ thể sinh vật, nước đóng vai trò như một dung môi để thực hiện quá trình trao đổi chất và năng lượng Ngoài thiên nhiên, thuỷ sinh vật sống trong nước coi nước như là giá thể để cư trú, di chuyển và tìm kiếm thức ăn Nước là tấm vỏ bọc bảo vệ rất an toàn cho thuỷ sinh vật tránh các thay đổi đột ngột của thời tiết khắc nghiệt trên cạn hoặc các tia bức xạ nguy hiểm từ vũ trụ và mặt trời

Tóm lại, nước có mặt ở tất cả các quyển của trái đất như khí quyển, thuỷ quyển, địa quyển, sinh quyển và nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của tự nhiên và đời sống trên hành tinh chúng ta Vì vậy sự hiểu biết về nước, về tính chất lý, hoá học cũng như sự tồn tại và vận chuyển của nước trong môi trường là cơ sở để giải quyết những tác động xấu do nước gây ra

6.1.3 Lượng nước, sự phân bố và tiêu thụ nước trên trái đất [5, 6]

Nước là một thành phần cơ bản và quan trọng của môi trường sống mà sự có mặt của nó làm nên một quyển trên trái đất đó là thuỷ quyển Thuỷ quyển bao gồm toàn bộ các dạng chứa nước trên hành tinh của chúng ta Đó là: đại dương, biển, sông,

hồ, suối, các tảng băng và nước ngầm v.v

Toàn bộ lượng nước trên trái đất có khoảng 1.400 x 109 km3, trong đó khoảng 97% lượng nước toàn cầu là ở đại dương và biển Tuy nhiên do hàm lượng muối cao nên nước ở đây không được sử dụng cho nhu cầu của con người Trong phần nước còn lại thì phần lớn lại nằm đóng băng ở 2 đầu cực và các tảng băng (chiếm khoảng 2% tổng lượng nước - TLN) Lượng nước này che phủ khoảng 10% bề mặt trái đất hiện tại Như vậy, chỉ còn khoảng 0,6% nước ngọt bao gồm cả nước bề mặt và nước ngầm

là có thể sử dụng được Trong tổng lượng nước đó, con người thực sự chỉ sử dụng khoảng 0,3% dưới dạng nước ngọt phục vụ các mục đích khác nhau của mình Ngoài

ra nước còn được phân bố trong khí quyển dưới dạng hơi nước khoảng 0,001% TLN

Bảng 6.1 Sự phân bố nước trong các dạng chứa nước trên trái đất

7

Phần nước ngọt trên trái đất được phân bố theo hình sau:

Hình 6.1 Sơ đồ biểu diễn sự phân bố nước ngọt

Hiện tại, lượng nước dùng cho các nơi tiêu thụ chính là: cho thuỷ lợi (30%), các nhà máy nhiệt điện (50%), dùng cho sinh hoạt (7%) và tiêu thụ của các ngành công nghiệp (12%) Chúng ta đều biết rằng, trung bình mỗi người cần 2 lít nước cho việc

ăn uống của họ hàng ngày Lượng nước này tiêu thụ nhiều hay ít thường tuỳ thuộc vào vùng khí hậu, vị trí địa lý và cơ địa từng người Nó thường tăng lên đến 3-4 lít đối với những đất nước có khí hậu nóng, tuy nhiên so với nước sử dụng cho sinh hoạt thì nó thường không đáng kể lắm Lượng nước sinh hoạt có thể thay đổi từ vài lít ngày trong các quốc gia không có dịch vụ cấp nước công cộng và có tập quán gia đình thấp đến vài trăm lít ngày trong những nước phát triển Nói chung, khoảng 2/3 số dân trên thế giới sử dụng trung bình 140 lít nước ngày (Theo thống kê )

Về tiêu thụ và sử dụng nước ở Việt Nam: là nước đông dân, đất canh tác ít, diện tích canh tác tương đương Trung Quốc, nhưng thua các nước trong khu vực và Thế giới Mức cho thủy lợi và tưới tiêu đạt 3% (thập kỷ 1970) giảm dần xuống 2% (thập kỷ 1980) và nay tăng trưởng dần lên thứ 6 Thế giới về sử dụng nước (91,4 tỷ m3) và sử

tầng đất sâu

7%sông

dụng theo đầu người 1,184 m3/người (năm 1995) (Theo Nguyễn Tiến Đạt – Dự báo sử dụng nước ở Việt Nam – Cương trình KC-12)

Bảng 6.2 Phân phối nước sinh hoạt Địa phương Phân phối Lượng nước được phân phối (lít/ngđ)

Thành phố Trong các gia đình

Vòi lấy nước chữa cháy

70-25025-70

14040Nông thôn Trong nhà hoặc vòi lấy

Một nhóm tiêu thụ nước thứ ba có thể được thêm vào đây bao gồm các cơ quan, công ty và các dịch vụ công cộng khác nhau như trường học, bệnh viện, bể bơi, quét đường Ngoài ra, một số ngành công nghiệp cũng sử dụng nước cấp công cộng Nhóm này thường sử dụng một lượng nước cấp lớn

Cuối cùng phải kể đến cả lượng nước bị thất thoát trong quá trình sử dụng Sản lượng nước của một hệ thống phân phối được xác định qua mối quan hệ giữa thể tích nước mà người tiêu dùng nhận được với lượng nước được đưa ra khỏi nhà máy Một

hệ thống tốt thì sản lượng phải đạt 80% Ở Pháp 50% các hệ thống có sản lượng < 70%, trong đó 25% các hệ thống có sản lượng < 60% (Lyonnaise des Handbook)

Bảng 6.3 Nhu cầu về nước của các đối tượng khác nhau Địa phương Nước(m 3 )/người,

năm

Địa phương Nước(m 3 )/người, năm

New York

Cơ quan

500 25

Bảng (6.3) trên đây trình bày những thay đổi trong nhu cầu về nước ở những lối sống khác nhau

Hiện nay, tại Mỹ, lượng nước sử dụng bình quân là khoảng 1,6 x109 m3/ngày; hay nói một cách khác bằng khoảng 10% tổng lượng nước mưa rơi trên mặt đất Lượng nước sử dụng cho nông nghiệp và công nghiệp chiếm xấp xỉ 46% tổng lượng nước tiêu thụ7 Lượng tiêu thụ cho đô thị chiếm 8% tổng lượng nước

9

Một vấn đề chính liên quan đến sự cấp nước toàn cầu là sự phân bố không đều của nó theo thời gian và khu vực của các vùng trái đất Sự phân bố không đều này phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố khí hậu là bức xạ và mưa Mặc dù, lượng mưa trung bình hàng năm trên toàn bộ lục địa là 700 mm, nhưng vẫn có những thay đổi trong một khoảng rộng giữa các vùng khác nhau cả về tổng lượng mưa và cả về mùa mưa Chẳng hạn, ở vùng sa mạc Atacama-Chi lê lượng mưa là 0,0 mm/năm, trong khi đó lượng mưa ở vùng Cherrapunji-Ấn độ lượng mưa là 26 x103 mm/năm Lượng mưa bình quân nhiều

7 : Đầu thế kỷ 20 lượng nước dùng cho nông nghiệp chỉ vào khoảng 500 tỷ m 3 , dự kiến năm 2000 là 3.300 tỷ m 3 ,lượng nước sinh hoạt tăng vào khoảng từ 20 tỷ sẽ lên 400 tỷ m 3

năm ở Việt Nam tương đối lớn1.957mm, ở những trung tâm mưa lượng mưa rất lớn,

Ví dụ Bắc Quang (Cao Bằng) 5.000mm, Bạch Mã (đèo Hải Vân) 8.000mm (GS Ngô Đình Tuấn) Đặc biệt lượng mưa ngày cực lớn ví dụ trận mưa năm 1999 ở Huế

1.430mm Một số quốc gia có đủ nước mưa hàng năm nhưng hầu hết lại nhận được chúng trong cùng một thời gian, ví dụ như Ấn độ, 90% lượng mưa hàng năm đổ vào tháng 7-9 Nhưng cơn mưa lớn kéo dài này làm ngập đất, lấy đi các chất dinh dưỡng của đất, làm trôi các lớp đất mặt và cây trồng Nó là nguyên nhân của những trận lụt đồng bằng Hoặc như, ở Anh, giá trị mưa trung bình cho những vùng đất thấp là 500 mm/năm, trong khi đó vùng phía Tây là 2.500 mm/năm 8

Ở các vùng vĩ độ cao, nhiệt độ thấp, mùa nhiều nước là mùa xuân, đó là lúc băng tuyết tích luỹ được trong suốt mùa đông bị tan chảy khi thời tiết ấm lên Lượng dòng chảy trong mùa này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào lượng nước trữ được trên lưu vực

và vào lượng mưa trong thời kỳ tuyết tan Mức độ tập trung của dòng chảy và độ dài của mùa phụ thuộc vào trường nhiệt và cường độ bức xạ của khu vực Mùa ít nước còn gọi là mùa cạn (khô), lượng dòng chảy trong mùa chủ yếu được cung cấp nhờ nguồn nước ngầm nên nhỏ và ổn định hơn dòng chảy mùa lũ

Trong các vùng vĩ độ thấp và trung bình, nhiệt độ cao, mùa nhiều nước gọi là mùa lũ Dòng chảy trong mùa lũ chủ yếu do mưa cung cấp Do đó thời gian xuất hiện

lũ và độ dài của mùa được quyết định bởi thời điểm xuất hiện và kéo dài của mùa mưa Mưa càng lớn và tập trung thì dòng chảy mùa lũ sẽ càng lớn và quy mô lũ càng

ác liệt

Minh hoạ dưới đây sẽ cho chúng ta thấy rõ sự phân bố các nguồn nước trên trái đất theo các đại dương, biển và các châu lục địa

8 : Trên mặt đất hàng năm có lượng dòng chảy là 101.000 km 3 /năm ≈ 750 mm/năm, tổng lượng bốc hơi là 74.000 km 3 /năm ≈ 545 mm/năm.Trên mặt biển hàng năm có lượng bốc hơi là 351.00010 2 km 3 /năm ≈ 940 mm/năm, lượng mưa là 324 000 km 3 /năm ≈ 870 mm/năm.

Bảng 6.4 Phân bố nguồn nước trên thế giới

Vùng lưu vực nội địa

Tổng diện tích của đấtF.103

km2

Dòng chảy mm

F.103

km2

Dòng chảy mm

F.103

km2

Dòng chảy mm

F.103

km2

Dòng chảy mmChâu Âu kể cả

Các lưu vực là những nơi có ảnh hưởng lớn đến đặc điểm của nước trên trái đất

Về độ lớn chúng bao gồm từ những lưu vực nhỏ xíu tạo nên các dòng chảy ven biển dọc theo dãy núi Napali ở vùng ven biển Hawaii đến lưu vực sông Amazon, bao phủ lên một diện tích gấp 2 lần diện tích Ấn độ Trừ một vài cộng đồng sống ở các vùng sa mạc và hoang mạc, loài người sống chủ yếu ở lưu vực sông9

9 :P hần bề mặt trái đất bao gồm cả tầng đất đá cung cấp nước cho mỗi hệ thống sông hoặc một con sông riêng biệt gọi là lưu vực hệ thống sông hay lưu vực sông hoặc phần đất có sông và các nhánh của chúng chảy qua.

Hình 6.2 Các lưu vực sông chính trên thế giới

13

6.2 Sự tuần hoàn của nước

6.2.1 Chu trình của nước

Nước cung cấp cho toàn cầu được phân bổ trong 5 phần của chu trình thuỷ quyển

Hình 6.3 Chu trình thuỷ quyển đơn giản

Một phần lớn lượng nước này nằm trong các đại dương; Một phần khác có ở dạng hơi nước trong khí quyển; Một số nằm ở trạng thái rắn như đá và tuyết ở các tảng tuyết, băng và băng ở địa cực; Nước bề mặt có trong các kho trữ nước (như ao, hồ), sông, suối;

Và nguồn nước ngầm nằm trong các tầng ngậm nước dưới đất

Nhờ chu trình luân chuyển, nước được phân bố đi khắp mọi khu vực trên trái đất.Vòng tuần hoàn của nước hoạt động được nhờ sự hấp thụ năng lượng mặt trời, để tạo

ra sự bốc hơi nước từ các đại dương và đất liền Một cách đơn giản là sự bay hơi nước biển, nước bề mặt và sự hô hấp của cây cối sau đó ngưng tụ thành mây, mưa Ngoài ra, gió, sóng và các dòng vật chất trong khí quyển cũng đóng góp vào sự lưu thông của cả khối không khí và khối nước

Gần khoảng 1/3 năng lượng mặt trời được bề mặt trái đất hấp thụ đã được dùng cho việc làm bay hơi nước từ bề mặt các đại dương, ao, hồ, sông, suối và mặt đất Lượng nước bay hơi hàng năm trên trái đất khoảng trên 500.000 km3 Phần lớn lượng nước này được bốc hơi từ mặt biển và đại dương (86% tổng lượng bốc hơi tức là khoảng > 430.000 km3)

sẽ trở lại đó dưới dạng mưa và tuyết (nhưng chỉ còn là 78% khoảng 390.000 km3) tạo nên

vòng tuần hoàn đầu tiên gọi là vòng tuần hoàn nhỏ Phần còn lại, hơi nước theo các khối

không khí đi từ đại dương vào đất liền gặp điều kiện thuận lợi lại ngưng tụ thành mây, mưa rơi trên đất liền (khoảng 120.000 km3) Lượng mưa rơi trên đất liền thực tế lớn hơn (57%) lượng hơi nước được bốc hơi lên từ đất liền Mưa rơi trên lục địa một phần thấm vào trong đất, một phần chảy trên mặt đất hình thành nên các dòng sông, suối, phần còn lại lại bị bốc

Dòng chẩy

Bốc hơi nước

Thoát hơi nước

hơi Quá trình mưa rơi trên đất liền vào hệ thống sông, suối rồi sau đó lại bốc hơi, sẽ lặp

đi lặp lại Nhưng cuối cùng nước từ lục địa sẽ quay trở về biển cả nhờ các dòng chảy của

sông, suối và sự thấm trực tiếp của nước ngầm vào các đại dương để hình thành vòng tuần hoàn lớn thứ hai trên trái đất Một phần rất nhỏ của tổng lượng nước tuần hoàn (gần 8.000

km3) sẽ hình thành nên vòng tuần hoàn trong phạm vi các miền không lưu thông Vòng

tuần hoàn này, ở một mức độ nào đó mang tính chất độc lập mặc dầu có liên quan với sự tuần hoàn chung của nước Nét đặc trưng của vòng tuần hoàn này là nước đi ra đại dương không phải bằng các dòng chảy trực tiếp mà ở dạng hơi nước cuốn theo các khối không khí tạo nên độ ẩm đặc trưng của vùng

Hình 6.4 Trữ lượng nước trong các phần của chu trình thuỷ quyển

6.2.2 Thời gian lưu của nước

Thời gian “lưu” trung bình của hơi nước trong khí quyển khoảng 11 ngày Trong khí quyển hơi nước muốn dịch chuyển hoặc tồn tại được đòi hỏi phải có sự hấp thụ năng lượng và như vậy nó sẽ có xu thế làm giảm nhiệt độ tại bề mặt chung của không khí và nước Năng lượng này lại được giải phóng ra khi hơi nước ngưng tụ Và vì vậy, sự vận động của hơi nước có tác dụng chuyển năng lượng nhiệt từ vùng này sang vùng khác Nước sẽ bốc hơi nhanh nhất ở những nơi có nhiệt độ cao nhất và ngưng tụ ở những nơi nhiệt độ thấp hơn Nhờ thế chu trình nước có tác dụng làm giảm sự khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng

“Thời gian sống” hoặc 1 chu kỳ tuần hoàn của nước phụ thuộc vào các nguồn nước

và môi trường khác nhau Chu kỳ này có thể rất dài hàng thiên niên kỷ và cũng có thể rất ngắn Chẳng hạn:

- Chu kỳ trung bình của hơi nước trong khí quyển là 11 ngày (12.900 km3)

- Nước luân chuyển trong hệ động-thực vật là 7 ngày(700 km3).

- Nước sông luân chuyển khoảng 14 ngày (1.700 km3)

- Nước trong đất luân chuyển từ 2 tuần đến 1 năm (65.000 km3)

- Nước ở hồ và đầm lầy có thời gian sống tính đến hàng năm(125.000km3)

- Nước ngầm hàng ngàn năm (7.000.000 km3 )

- Nước băng hà hàng triệu năm (26.000.000 km3)

- Nước đại dương có chu kỳ dài hàng tỷ năm ( 1.370 tỷ km3)

6.3 Phân loại nước tự nhiên.

Nước có mặt trong thiên nhiên từ rất nhiều nguồn khác nhau như sông ngòi, ao hồ, suối, mạch ngầm, biển, đại dương Có thể nói nước thiên nhiên là một hệ dị thể nhiều hợp phần, trong đó có cả chất tan và chất không tan có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ Các chất

đó có thể được đưa từ khí quyển vào; hoặc cũng có thể bị hoà nhập vào từ quá trình phong hoá các quặng đất đá; hoặc từ các hoạt động sống và quá trình phân huỷ thối rữa; hay như

từ nước thải của sản xuất công nông nghiệp hoặc nước mưa chảy đổ vào nguồn nhận Và

vì vậy mà con người có thể nhận được nước mặn, lợ, nghèo dinh dưỡng, giàu dinh dưỡng, cứng, mềm, nước bị ô nhiễm hoặc không bị ô nhiễm Do vậy, việc phân loại nước cũng

có nhiều cách khác nhau, một số cách phân chia thường được sử dụng là:

6.3.1.Phân loại theo sự phân bố:

- Nước có tính axit (pH <6,5), nếu nước có giá trị pH <4 là nước rất chua

6.3.5 Phân loại theo độ khoáng hoá:

- Phân loại chung: nước nhạt là nước có hàm lượng các muối khoáng <1g/l; nước

lợ 1-25 g/l; nước mặn >25 g/l

- Phân loại nước sông ngòi theo Aliokin: bậc 1, 2, 3, 4, 5 có độ khoáng tương ứng

<100, 100-200, 200-500, 500-1.000, >1.000 (mg/l) với tên là độ khoáng rất nhỏ, nhỏ, trung bình, tương đối cao và cao Đa số các sông trên thế giới có độ khoáng bậc 1, 2 và 3

- Phân loại nước khoáng: nước khoáng có độ khoáng hoá rất thấp (<1 g/l); khoáng hoá thấp (1,0-5,0 g/l); khoáng hoá trung bình (5,0-10,0 g/l); khoáng hoá cao (10,0-35,0 g/l); khoáng hoá rất cao (>35,0 g/l)

6.3.6 Phân loại theo thành phần hoá học

Dựa vào thành phần các anion có mặt trong nước, Aliokin phân loại nước theo 3 nhóm anion chính HCO3-, SO42- và Cl- có mặt trong nước thành các lớp:

- Lớp bicacbonat (HCO3- + CO2): đặc trưng cho nước sông hồ ngọt, nước ngầm có

độ khoáng thấp

- Lớp Cl-: đặc trưng cho nước đại dương, nước Liman, hồ mặn

- Lớp SO42-: đặc trưng cho các loại nước có độ khoáng hoá trung gian giữa hai lớp trên

Mỗi lớp lại được chia thành 3 nhóm dựa theo các cation Ca2+, Mg2+ và K+, Na+ có mặt trong đó Rồi từ đó mỗi nhóm được phân thành 4 kiểu dựa vào tương quan hàm lượng giữa tất cả các ion kể trên (tính theo mini đương lượng gam - mĐ)

+ Kiểu I có tương quan HCO3- > Ca2+ + Mg2+ liên quan đến quá trình phong hoá

đá Macma hoặc trao đổi Ca2+ và Mg2+ với Na+ Nước kiểu này có độ khoáng hoá nhỏ, thường là nước các hồ lưu thông ít và có nguồn cấp nước chủ yếu là nước ngầm

236

+ Kiểu II có tương quan HCO3- < Ca2+ + Mg2+ < HCO3- + SO42- Kiểu này có liên quan với cả đá trầm tích và Macma, bao gồm nước của đại đa số các sông hồ, nước ngầm

có độ khoáng trung bình và nhỏ

+ Kiểu III có tương quan HCO3- + SO42- < Ca2++ Mg2+ hoặc Cl- > Na+ Nước kiểu này có độ khoáng hoá cao, bao gồm nước Liman, nước có độ khoáng hoá cao trong hồ và nước ngầm

+ Kiểu IV có đặc trưng là vắng mặt ion HCO3- Đây là kiểu nước axit, thường gặp

ở các vùng đầm lầy, hầm mỏ, núi lửa hoặc những nơi bị nhiễm bẩn mạnh

CHƯƠNG VII ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC7.1 Cấu tạo của phân tử nước và liên kết hydro [2, 3, 4, 16, 18]

7.I.1 Cấu tạo của phân tử nước

Nước được ký hiệu một cách đơn giản nhất với công thức là H2O Thành phần hoá học của nước được nhà Hoá học Pháp nổi tiếng Lavoazie (1743-1794) xác định năm 1783 Nước chứa 11,19 % hydro và 88,81 % oxy theo khối lượng Khối lượng phân tử của nước

là 18,0153 Trong thực tế cả các nguyên tử hydro (H) và oxy (O) đều có nhiều đồng vị Tính chất vật lý của nước phụ thuộc nhiều vào thành phần đồng vị và cấu trúc của phân tử nước Trong tự nhiên có thể có các phân tử nước được cấu tạo từ các đồng vị bền khác nhau như H1, H2 (D), H3 (T), O16, O17, O18; trong đó hàm lượng các phân tử kiểu H1O16H1 chiếm tuyệt đại đa số Các kiểu phân tử nước còn lại được gọi là “nước nặng” và chỉ chiếm khoảng 0,015% tổng thể tích nước trên trái đất và nồng độ khoảng 10-18% (theo P.O’Nell.), nhưng đã tạo ra những điều hết sức thú vị về nước10

Xét về mặt cấu tạo, phân tử nước được tạo nên từ 2 nguyên tử H và 1 nguyên tử O Cấu hình electron của nguyên tử O và H như sau:

H: 1S1O: 1S2 2S2 2P4Như vậy, phân tử H2O có tất cả 10 electron, trong đó 8 electron là của nguyên tử oxy và 2 electron là của 2 nguyên tử hydro tạo thành 5 cặp electron và được phân bổ như sau:

- 1cặp electron bên trong nằm gần hạt nhân của nguyên tử oxy

- 2 cặp electron bên ngoài tạo thành 2 liên kết ( H-O) nhờ sự góp chung điện tử của

2 nguyên tử hydro với 2 điện tử trong 2 obitan 2p của oxy để tạo thành 2 liên kết cộng hoá trị

- 2 cặp electron bên ngoài nữa là 2 cặp electron của 2 obitan của nguyên tử O không tham gia tạo liên kết trong phân tử nước

Do O có độ âm điện lớn hơn H (3,5 &2,1 theo thang Paolinh), nên các mây điện tử

bị hút lệch về phía nguyên tử O làm cho liên kết cộng hoá trị H - O trở nên có cực (µOH = 1,54 D) và 2 mối liên kết H – O tạo với nhau một góc 104o27’ Vì vậy phân tử nước phân cực mạnh với mô men lưỡng cực phân tử µH2O = 1,84 D

7.I.2 Liên kết hydro

a) Ion hydro khi tham gia liên kết hoá học

Nguyên tử H ngoài khả năng tham gia liên kết cộng hoá trị thông thường còn có khả năng tạo thành mối liên kết thứ 2 với một nguyên tử khác có độ âm điện lớn và có kích thước nhỏ, đó là liên kết hydro Nguyên nhân làm xuất hiện liên kết hydro là do đặc điểm cấu tạo của nguyên tử H: nguyên tử H chỉ có 1 điện tử duy nhất, khi kết hợp với một nguyên tử có độ âm điện lớn hơn thì đám mây điện tử này bị hút lệch mạnh về phía nguyên

tử có độ âm điện lớn hơn đó Kết quả là nguyên tử H trở thành hạt mang điện dương có những tính chất hoá học đặc biệt:

-Nó gần như chỉ trơ trọi một proton mang điện tích dương không có lớp vỏ điện tử mang điện âm Vì vậy không bị vỏ điện tử của các nguyên tử hay ion khác đẩy

-Kích thước của nó rất nhỏ (nhỏ hơn các ion khác hàng ngàn lần) Vì thế ion H+ dễ đến gần sát các nguyên tử và ion khác, thậm chí

xâm nhập cả vào bên trong lớp vở điện tử của các nguyên tử và ion khác Do đó ion hydro có một khả năng đặc trưng là tạo thành mối liên kết thứ hai tức là liên kết hydro

H H

O

b) Đặc điểm của liên kết hydro

Trong phân tử nước, do sự có mặt của cả H và O nên giữa các phân tử nước với nhau dễ dàng hình thành các liên kết hydro Liên kết hydro kém bền hơn nhiều so với liên kết cộng hoá trị thông thường (năng lượng liên kết hydro thường nằm ở khoảng 10-40 kJ/mol, trong khi năng lượng liên kết hoá học thông thường cỡ hàng trăm kcal/mol), nhưng

bền hơn lực Van der Waals (năng lượng từ 2-10 kJ/mol) Liên kết hydro gây ra hiện tượng

trùng hợp phân tử và do đó làm xuất hiện một số tính chất lý học và hoá học bất thường của các chất, cụ thể là:

- Tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và nhiệt bay hơi của các chất (do liên kết hydro ngoại phân tử) Sở dĩ như vậy là vì hiện tượng trùng hợp phân tử làm cho khối lượng phân tử trung bình của chất tăng lên và lực hút giữa các phân tử tăng lên

- Hiện tượng trùng hợp phân tử còn gây ra sự biến đổi bất thường về khối lượng riêng Đáng lẽ bình thường khi tăng nhiệt độ, do sự dãn nở nhiệt thì thể tích các chất tăng lên và khối lượng riêng phải giảm đi Nhưng khi có hiện tượng trùng hợp phân tử, nhiệt độ tăng lên liên kết hydro gẫy ra thì sự biến đổi khối lượng riêng không đơn điệu như vậy nữa

mà phụ thuộc vào dạng và cách phối trí các phân tử dưới ảnh hưởng của liên kết hydro Điều này có thể thấy rất rõ khi ta xét những tính chất vật lý bất thường của nước ở dưới đây (mục 2.3)

- Hiện tượng trùng hợp phân tử làm giảm độ điện ly và làm giảm tính axit của chất

Ví dụ florua hydro (HF) nếu suy đoán đơn giản dựa vào độ âm điện thì phải có tính axit mạnh vào cỡ HCl, HBr, HI, nhưng do liên kết hydro gây ra hiện tượng trùng hợp phân tử tạo thành các phân tử dạng (HF)2 điện ly yếu:

C2H5C O H

OH

H

240

7.2 Cấu trúc của nước [2, 3, 16, 17]

7.2.1 Quan niệm về cấu tạo của phân tử nước

Nước là chất lỏng quan trọng nhất trong các chất lỏng Qua ảnh nhiễu xạ tia Rơnghen người ta đã xác định được rằng trong nước lỏng vẫn còn giữ một phần cấu trúc tinh thể của nước đá, trong đó mỗi phân tử nước liên kết với 4 phân tử nước bao quanh nó bằng liên kết hydro hướng theo 4 đỉnh của tứ diện đều

Giữa các yếu tố cấu trúc tứ diện như vậy có những lỗ trống kích thước lớn hơn kích thước của phân tử nước Tuy nhiên cấu trúc nước lỏng khác cấu trúc nước đá ở chỗ trong nước lỏng do sự uốn cong và kéo dài các mối liên kết hyđrô nên sự phân bố các phân tử nước ít nhiều bị lệch khỏi cách phân bố tứ diện chặt chẽ và các phân tử nước nằm sai lệch

về cấu trúc xảy ra càng mạnh và chuyển dần đến cấu trúc hỗn độn

Hình 7.1 Một mảnh nhỏ cấu trúc của nước

Vì vậy người ta nói nước lỏng chỉ có cấu trúc “trật tự gần” Ngoài ra do chuyển động nhiệt, một phần liên kết hiđrô bị phá vỡ và lại được lập lại, phân tử nước chuyển từ yếu tố cấu trúc tứ diện này sang yếu tố cấu trúc tứ diện khác, nên các phân tử nước liên tục chuyển động tịnh tiến, do đó nước có khả năng tự khuyếch tán

Nếu theo quan điểm của thuyết “đảo tinh thể” thì có thể hình dung trong nước lỏng

có cấu trúc của nước đá, tức là những “đảo tinh thể” nằm giữa một tập hợp nước chuyển động hỗn loạn Với chất lỏng là nước hiện tượng này biểu hiện rõ hơn trong các chất lỏng khác

7.2.2 Ba trạng thái của nước

Do những yếu tố cấu trúc tinh thể như vậy, đồng thời do có mômen lưỡng cực phân

tử lớn mà hằng số điện môi của nước có giá trị lớn (bằng 79.5 ở 25oC) và nước có tính chất đặc biệt như có khả năng hoà tan và điện ly nhiều chất, nhiệt độ sôi cao, nhiệt độ bay hơi lớn Có thể nói, cấu trúc của nước tuỳ thuộc vào trạng thái vật lý của nó J Bernal, R

O

H H

O

H H

O

H H

O O

O

O O

H

H

H H

H H

Fauler và Poling là những người dày công nghiên cứu về cấu trúc đặc biệt của nước nhất Trong các dạng cấu trúc nước thì cấu trúc tổ hợp phân tử trong băng là được nhiều các tác giả nghiên cứu hơn cả Theo nhiều nghiên cứu cho thấy:

a) Ở trạng thái khí (hơi): nước có công thức hoá học chính xác là H2O Cấu tạo của phân tử nước ở trạng thái này được giải thích như sau:

Phân tử nước được tạo thành từ 1 nguyên tử oxy và 2 nguyên tử hydro Nguyên tử oxy có hai điện

tử p độc thân có mây điện tử hình quả chuỳ phân bố theo những phương vuông góc với nhau (hình 7.2)

Hình 7.2 Hình 7.3.

Khi tạo thành phân tử nước thì 2 orbital 2p này sẽ xen phủ với 2 orbital 1s của 2 nguyên tử hydro dọc theo các trục của các mây p của nguyên tử oxy để xen phủ đạt tới mức lớn nhất nhằm tạo ra 2 liên kết σ O-H Do đó góc giữa 2 mối liên kết O-H bằng 90o Thực nghiệm cho thấy rằng góc liên kết này là 104o27’(>90o ) là do liên kết O-H là liên kết cộng hoá trị phân cực, các mây điện tử bị hút lệch về phía nguyên tử oxy làm xuất hiện điện tích dương ở phía nguyên tử hydro và sự đẩy nhau giữa 2 nguyên tử hydro mang điện tích dương dẫn đến sự mở rộng góc giữa 2 liên kết Với cách giải thích này ta có phân tử nước sẽ có cấu tạo hình tam giác phẳng (hình 7.3)

Ở các trạng thái ngưng tụ (nước và nước đá), nước có cấu tạo phức tạp hơn và điều

đó giải thích cho những tính chất bất thường của nước Ở các trạng thái này nước thường tồn tại dưới dạng các phân tử trùng hợp với công thức là (H2O)n Khi đó nguyên tử oxy trong nước có trạng thái lai hoá sp3, tạo thành 4 obitan lai hoá mà trục của 4 obitan này hướng về 4 đỉnh của 1 tứ diện đều với nguyên tử O ở tâm của tứ diện và góc liên kết là

104o27’

b) Ở trạng thái lỏng: nước tồn tại chủ yếu dạng phân tử nhị hợp (H2O)2 Một số phân tử nước bị kết lại với nhau nhờ liên kết đặc biệt đó là liên kết hydro, thông qua cầu nối hydro của phân tử nước này với nguyên tử oxy của phân tử nước bên cạnh tạo nên cấu trúc tứ diện trong không gian

cơ bản đã lai hóa

Trạng thái cơ bản và đã lai hoá Sơ đồ PT nước có NT O Mô hình cụm nước lỏng

của NT oxy ở trạng thái lai hoá sp 3

Hình 7.4 Nguyên tử O khi tham gia lai hoá và mô hình cụm đung đưa

Frank-Wen của nước lỏng (theo Nemethy và Scheraga, 1962)

c) Trong trạng thái rắn: ở thể rắn n thường bằng 3, khối nước đá được cấu tạo bao

gồm 1 phân tử nước ở ví trí trung tâm và 4 phân tử nước khác nằm ở 4 đỉnh của 1 khối 4 mặt

Hình 7.5 Cấu trúc bốn mặt của nước ở trạng thái rắn (theo Gray, 1973)

Trong nước đá, một nguyên tử O phối trí với 4 nguyên tử H bằng 4 mối liên kết, trong đó có 2 liên kết cộng hoá trị và 2 liên kết hydro (hình 7.5) Vì mối liên kết hydro (O H) có độ dài lớn hơn nên cấu trúc này tương đối xốp dẫn đến tỷ trọng nhỏ hơn và làm cho nước đá có dạng trong suốt Khi tăng nhiệt độ, nước đá tan chảy, một phần liên kết hydro bị phá vỡ (khoảng 15%) và các phân tử trime chuyển dần thành các phân tử dime làm cho khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử giảm xuống Kết quả là nước lỏng có khối lượng riêng lớn hơn nước đá Nếu tiếp tục đun nóng thì một mặt liên kết hydro tiếp tục bị phá vỡ làm cho khoảng cách giữa các phân tử giảm xuống Mặt khác, nước bị dãn nở nhiệt làm cho khoảng cách giữa các phân tử tăng lên Từ 0 – 4oC quá trình thứ nhất (phá vỡ liên kết hydro) trội hơn, do đó khối lượng riêng của nước tiếp tục tăng lên Nhưng từ 4oC trở lên quá trình thứ hai (sự dãn nở nhiệt) trội hơn và bây giờ nước lỏng chủ yếu cấu tạo từ các phân tử nhị hợp (H2O)2 nên sự biến đổi về mặt trùng hợp không còn là chủ yếu nữa Do

đó từ 4oC trở lên khối lượng riêng của nước lại giảm xuống

Việc nghiên cứu những biến dạng tinh thể (đặc biệt nhờ sự giúp đỡ của phổ Raman), đã cho phép chúng ta hiểu được sự chuyển giao từ cấu trúc tinh thể mở của nước

đá sang trạng thái lỏng Theo Bernal và Fauler, nước có cấu trúc kiểu trime đa phần ở nhiệt

độ < 4oC Trong khoảng từ 4oC đến 200oC mạng lưới tinh thể của nước sắp xếp theo kiểu

thạch anh, các phân tử dày chặt hơn Trên 200oC giữa các phân tử nước không còn liên kết hydro nữa, nó tồn tại ở trạng thái đơn phân tử (thể hơi)

Bảng 7.1 Tính chất quan trọng của nước

1 Dung môi tuyệt vời Vận chuyển dinh dưỡng và chất thải cho các quá

trình sinh học tiến hành trong môi trường nước

2 Hằng số điện môi cao nhất

Nhiệt độ ổn định ở điểm đóng băng

8 Nhiệt dung cao hơn chất

244

7.3 Tính chất vật lý của nước [1, 2, 3, 5, 16, 19]

Trạng thái vật lý của nước ảnh hưởng mạnh đến các quá trình hoá học và sinh học xảy ra trong nước

7.3.1 Tỷ trọng và thể tích của nước

Do có cấu trúc phân tử đặc sít (trùng hợp) mà nước có tỷ trọng thay đổi theo nhiệt

độ và áp suất Ở OoC tỷ trọng của: nước lỏng là 0,99987 kg/dm3; nước đá là 0,9168 kg/dm3; hơi nước là 0,624 kg/dm3 và có tỷ trọng cực đại ở 3,98oC Khối lượng của 1 lít hơi nước bão hoà ở 200oC và 1 atm là 0,5974 g Bảng 2.2.3 cho ta các giá trị tỷ trọng của nước tinh khiết ở những nhiệt độ khác nhau

Bảng 7.2 Sự thay đổi tỷ trọng nước theo nhiệt độ

Như chúng ta đã biết, các chất lỏng khác đều có đặc điểm là tỷ trọng giảm khi nhiệt

độ tăng, nhưng tỷ trọng của nước diễn biến phức tạp theo nhiệt độ Trong khoảng từ 0oC đến 4oC tỷ trọng nước tăng khi nhiệt độ tăng Tại 4oC tỷ trọng của nước là lớn nhất và từ

4oC trở lên thì tỷ trọng của nó lại giảm khi nhiệt độ tăng

Chế độ thay đổi độc đáo của tỷ trọng nước có ý nghĩa lớn trong tự nhiên Khi nhiệt

độ lớn hơn 4oC sự thay đổi tỷ trọng nước sẽ dẫn đến hình thành dòng đối lưu và dòng ngang, điều hoà sự phân bố không đều nhiệt độ của nước Nói chung, nước tồn tại ở dạng lỏng trong khoảng nhiệt độ thay đổi rộng nhờ có mối liên kết hydro Nếu thuỷ vực được đun nóng từ phía trên mặt (do năng lượng mặt trời), thì lớp nước mặt sẽ nóng lên làm cho

tỷ trọng của nó nhỏ hơn các lớp nước nằm sâu hơn Do đó không gây nên dòng trao đổi nhiệt rối bởi quá trình truyền nhiệt phân tử, mà như trên đã nói là không đáng kể Vì vậy trong các hồ nước tự nhiên, các lớp nước sâu có nhiệt độ nhỏ hơn các lớp nước mặt Khi thuỷ vực bị mất nhiệt từ phía trên mặt (do sự trao đổi nhiệt với lớp không khí sát mặt nước lạnh hơn), lớp nước mặt sẽ lạnh đi Sự giảm nhiệt độ các lớp nước mặt làm cho tỷ trọng của lớp nước mặt lớn hơn các lớp sâu hơn Nước trên mặt sẽ chuyển xuống dưới, các lớp nước dưới ấm hơn, nhẹ hơn sẽ dịch chuyển lên cao thành dòng đối lưu nhiệt, điều hoà nhiệt độ của toàn khối nước Do đó trong điều kiện thời tiết lạnh, nhiệt độ của nước hồ đồng đều hơn và cao hơn nhiệt độ của không khí và đất đá xung quanh

Khi nhiệt độ của khối nước nhỏ hơn 4oC quá trình đối lưu nhiệt diễn ra ngược lại Khi nhiệt độ bề mặt trên của nước giảm tỷ trọng của chúng giảm nhỏ hơn tỷ trọng nước ở tầng sâu Vì thế quá trình đối lưu nhiệt không xảy ra Nước ở lớp mặt lạnh đi đến điểm đóng băng, còn ở các lớp nước sâu hơn nhiệt độ nước lớn hơn 0oC và nhỏ hơn 4oC nên các

hồ nước sâu không bị đóng băng tới đáy Mối quan hệ có một không hai giữa tỷ trọng và nhiệt độ của nước là tiền đề để hình thành nên các tầng khác biệt trong những vùng nước

không chảy Ta có thể xem xét tính chất vật lý này của nước qua hình 7.3.1 dưới đây

Hình 7.6 Sự phân tầng nhiệt và sự xáo trộn nước dưới tác động của nhiệt độ

Độ khoáng cũng làm thay đổi mạnh tỷ trọng Chẳng hạn, nước biển với một độ mặn

là 35 g/l có tỷ trọng trung bình là 1.0281kg/l ở 0oC Nếu thuỷ vực có hàm lượng muối khoáng thay đổi 1 g/l sẽ gây ra sự thay đổi tỷ trọng bằng 0,0008 kg/l Khi xem xét nước dưới áp lực của các quá trình thuỷ văn thông thường, ta thường lầm tưởng nước là một chất lỏng không bị nén Tuy nhiên, trên thực tế nước có tính đàn hồi: thể tích của nó giảm

đi khoảng 0,048% sau mỗi lần áp lực tăng lên 1 atm Thêm nữa, với nước khi hạ nhiệt độ

xuống OoC chẳng những tỷ trọng của nước giảm xuống, mà còn xảy ra hiện tượng thể tích tăng đột ngột do sự chuyển pha từ lỏng sang rắn Nhờ vậy băng nổi lên mặt nước và các

sông hồ vùng ôn đới chỉ bị đóng băng ở trên mặt, còn trong các lớp nước sâu hơn vẫn có

dòng chảy lưu thông Đây cũng là một điểm dị thường của nước (đa số chất lỏng khác khi

chuyển sang trạng thái rắn thì thể tích giảm)

246

Gradient nhiệt

Vùng nước ấm phía trên

Vùng nước lạnh phía dưới Vùng dị thường nhiệt

Không khí lạnh dưới 0 o C Nước đá

Gradient nhiệt

7.3.2 Các tính chất nhiệt

a) Nhiệt dung riêng C (tỷ nhiệt)

Nhiệt dung riêng của nước là 4,18 kJ /kgoC (1 kcal/ kg oC) ở 0oC Nhiệt dung riêng của nước thuộc vào loại cao nhất so với các chất lỏng khác (trừ hiđro và amôniăc) Nó lớn gấp 4 lần nhiệt dung riêng của không khí và gấp 5 lần nhiệt dung riêng của granít Nhờ có nhiệt dung lớn nên sự thay đổi nhiệt độ của nước theo ngày, theo mùa không lớn như sự thay đổi nhiệt độ của không khí và đất đá Vì thế để làm bay hơi nước lỏng chúng ta phải cung cấp một lượng nhiệt lớn cho nó Và cũng nhờ vậy mà nước thường được dùng làm chất cơ bản để so sánh nhiệt lượng

Nhiệt dung riêng của nước có đặc điểm thay đổi theo nhiệt độ và đạt cực tiểu ở +35oC Với các chất lỏng khác, nhiệt dung riêng thường tăng khi nhiệt độ tăng, nhưng nước có nhiệt dung riêng thay đổi phức tạp theo nhiệt độ Trong khoảng từ 0oC đến 30o C nhiệt dung riêng của nước giảm khi nhiệt độ tăng Tại 30oC nhiệt dung riêng của nước đạt giá trị nhỏ nhất, bằng 0,9975 kcal/kg.độ Khi nhiệt độ nước lớn hơn 30oC nhiệt dung riêng của nước tăng theo chiều tăng của nhiệt độ Nhiệt dung riêng của nước bằng 1,000 kcal/kg

độ tại 15oC và 70oC Ở dạng lỏng nhiệt độ của nước thay đổi rất chậm

Nhiệt dung riêng của hơi nước ở 100 oC và áp suất khí quyển bình thường bằng 0,462 kcal/kg độ

Nhiệt dung riêng của băng ở 0oC bằng 0,485 kcal/kg độ

b) Nhiệt chuyển pha (ẩn nhiệt)

Nhiệt chuyển pha từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng của nước (Cr) là 330 kJ /kg (or 79 kcal/kg), còn cho sự bay hơi (L) là 2.250 kJ/kg (or 539 kcal/kg) ở áp suất thường và

100oC Ẩn nhiệt hoá hơi của nước giảm đi khi nhiệt độ nước tăng Quan hệ giữa ẩn nhiệt hoá hơi với nhiệt độ nước được biểu hiện bằng công thức kinh nghiệm:

L = 539 – 0,57tTrong đó t – nhiệt độ của nước

L – nhiệt ẩn hoá hơi của nước(kcal/kg)

Nhờ độ lớn đáng kể của tỷ nhiệt, nhiệt ẩn nóng chảy và ẩn nhiệt bay hơi, mà nước

trở thành kho dự trữ nhiệt khổng lồ trên bề mặt trái đất Đó cũng là lý do của việc sử dụng nước như một chất lỏng truyền nhiệt

c) Điểm sôi và điểm đóng băng của nước

Trong điều kiện thuần khiết bình thường nước đóng băng ở 0oC và sôi ở 100oC So với các hợp chất hoá học tương tự (như H2S, H2Se, H2Te) cùng phân nhóm VIa của “Bảng

hệ thống tuần hoàn các nguyên tố” thì nước có nhiệt độ sôi và đóng băng cao dị thường

Tính chất đặc biệt này của nước được giải thích như sau: khi ở trạng thái lỏng, oxy trong nước có trạng thái lai hoá sp3 và nước tồn tại ở dạng trùng hợp nhị phân tử (H2O)2 - giữa các phân tử nước tồn tại những liên kết hydro ngoại phân tử Điều này đã làm cho nước có nhiệt sôi và đóng băng cao lên Mặt khác theo chiều từ trên xuống trong cùng một phân nhóm của bảng hệ thống tuần hoàn, thì độ âm điện giảm dần ( χO >χS > χSe >χTe ), các liên kết từ H - S ít phân cực hơn; thể tích nguyên tử của các nguyên tố trong dãy tăng dần gây cản trở việc hình thành liên kết hydro Bởi vậy, các phân tử tương tự nước đều có nhiệt độ sôi và đóng băng thấp hơn nước nhiều và ở nhiệt độ bình thường chúng tồn tại ở dạng khí Giản đồ 7.3.2c biểu diễn mối quan hệ giữa khối lượng phân tử tương đối với nhiệt độ đóng băng và sôi của các hợp chất với H của các nguyên tố trong phân nhóm Via

Hình 7.7 Quan hệ giữa khối lượng phân tử với nhiệt độ sôi và nhiệt độ đóng băng

d) Hệ số dẫn nhiệt của nước

Nước có hệ số dẫn nhiệt nhỏ và tăng khi nhiệt độ nước tăng Hệ số dẫn nhiệt của

nước ở 0oC bằng 0,00136 cal/cm2.s.độ; ở 20oC bằng 0,00143 cal/cm2.s.độ Do hệ số dẫn nhiệt phân tử của nước nhỏ nên khả năng truyền nhiệt theo cơ chế dẫn nhiệt phân tử kém

và không có vai trò lớn trong chế độ nhiệt của các đối tượng nước

7.3.3 Độ nhớt

Để diễn tả khả năng chống lại những dịch chuyển khác nhau (kể cả bên trong và bên ngoài) của các phần tử chất lỏng người ta dùng khái niệm độ nhớt Tất cả các loại chất lỏng thực đều có tính nhớt nhất định, được thể hiện dưới dạng lực tương tác giữa các phân

tử trong lòng chất lỏng đó (ma sát trong khi có sự di chuyển tương đối giữa các phần tử chất lỏng) Đó là độ nhớt động lực hay độ nhớt tuyệt đối, được tính bằng công thức:

F = τS = ηS.du/dy ⇒ η = F.dy/ S.du (Pa.s hoặc N.s/m2)(trong đó τ - ứng suất-lực ma sát trong một đơn vị thời gian; η -hệ số độ nhớt; du/dy-gradien vận tốc, nếu các lớp chất lỏng nằm rất gần nhau; F-lực nội ma sát trong chất lỏng)

Ngoài ra, người ta còn dùng khái niệm độ nhớt động học , là tỷ số giữa độ nhớt động lực và tỷ trọng của chất lỏng: ν = η /ρ (m2/s) = Fdy/Sρdu (m2/s)

Độ nhớt động lực đóng vai trò như một chất kết dính chống lại sự chuyển dịch tương đối giữa các lớp chất lỏng tiếp giáp nhau Do đó, nó trở thành một yếu tố cản trở chuyển động, gây nên sự biến đổi cơ năng thành nhiệt năng, làm tổn thất động năng Mặt khác có tác dụng truyền tốc độ từ lớp chất lỏng này sang lớp chất lỏng khác, nên nó có vai trò như một yếu tố hình thành trường tốc độ của dòng chảy Các chất lỏng dễ chảy như nước, không khí có độ nhớt nhỏ Còn các chất lỏng khó chảy như glixerin, mỡ thì có độ nhớt lớn hơn Khi vận tốc chuyển động nhỏ, các lớp chất lỏng chuyển động thành tầng không xáo trộn vào nhau mà trượt lên nhau, độ nhớt động lực chỉ bị tổn thất thành động năng Còn trong chảy rối, tốc độ chuyển động lớn, độ nhớt động lực giảm, thậm chí mất hẳn

Nói chung, độ nhớt của nước giảm khi nhiệt độ tăng Bảng 7.3 cho các giá trị độ nhớt động lực của nước phụ thuộc vào nhiệt độ

Bảng 7.3 Sự thay đổi các giá trị độ nhớt cảu nước theo nhiệt độ

T o C Độ nhớt tuyệt đối η (mPa.s) T o C Độ nhớt tuyệt đối η (mPa.s)

Mặt khác độ nhớt tăng cùng với việc nồng độ muối tan tăng Chẳng hạn, nước biển

có độ nhớt cao hơn nhiều so với nước sông

Bảng 7.4 Sự phụ thuộc của độ nhớt vào độ muối

4 1,021 16 1,068

Áp suất cũng có ảnh hưởng đặc biệt lớn đến độ nhớt động lực của nước Trái ngược với các chất lỏng khác, một áp lực vừa phải làm độ nhớt của nước giảm xuống ở nhiệt độ thấp (từ 0oC đến 20-30 oC ), bởi vì khi đó cấu trúc phân tử của nước ở dạng nén lại như bản thân nó đã có Nhưng khi áp suất tiếp tục tăng lên thì nước phục hồi lại cấu trúc của một chất lỏng tự do nhờ một ứng suất bên trong nào đó và lại tuân theo quy luật chung là độ nhớt tăng lên khi áp suất tăng

Hình 7.8 Tương tác giữa các phân tử trong dung dịch với các phân tử bề mặt

Khi đó các phân tử nằm ở lớp bề mặt có một dự trữ năng lượng lớn hơn so với các phân tử nằm bên trong Năng lượng dư này của lớp bề mặt ứng với 1cm2 bề mặt được gọi

là năng lượng bề mặt của chất lỏng Đây là một tính chất khác thường của bề mặt phân cách giữa 2 pha Nó được xác định như một sức căng tác động tại bề mặt của chất lỏng và hướng tới giảm diện tích bề mặt đến mức có thể nhiều nhất Nước nhờ có sức hút rất mạnh giữa các phân tử mà tạo ra sức căng bề mặt cao và khả năng bám dính lớn Nó như thể là nguyên nhân tăng sự mao dẫn nước lên 15 cm ở nhiệt độ 18oC trong 1 ống thiết diện 0,1

mm Trong tự nhiên hiện tượng mao dẫn nước trong đất đá có ý nghĩa hết sức quan trọng

Sức căng bề mặt của nước giảm bớt đi khi tăng nhiệt độ được mô tả theo bảng 7.5

Bảng 7.5 Sự phụ thuộc của sức căng bề mặt nước vào nhiệt độ

T o C Sức căng bề mặt 10 -3 N.m -1 T o C Sức căng bề mặt 10 -3 N.m -1

250

7.3.5 áp suất thẩm thấu

Áp suất cần thiết phải đặt vào một dung dịch để dung môi không thấm vào dung dịch đó nữa gọi là áp suất thẩm thấu Áp suất này không tồn tại và nó chỉ xuất hiện nếu dung dịch được ngăn cách với dung môi bằng một màng bán thấm Áp suất thẩm thấu mô

tả một hiện tượng xuất hiện giữa các chất lỏng có nồng độ khác nhau, ngăn cách nhau bởi một màng bán thấm Một cân bằng đơn giản liên hệ giữa áp suất thẩm thấu với nồng độ được Van Hốp (Hà lan) đưa ra là:

π = ∆CRTtrong đó ∆C là chênh lệch nồng độ (mol/m3); R là hắng số khí lý tưởng (8,314J/mol.0K); T là nhiệt độ (0K); π là áp suất thẩm thấu (Pa)

Nghiên cứu áp suất thẩm thấu của các dung dịch, Pfeifer nhận thấy quy luật là áp suất thẩm thấu tỷ lệ thuận với nồng độ và nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch Chẳng hạn, nước biển ở 15oC, nồng độ NaCl 35 g/l có áp suất thẩm thấu là 14,38 Χ 105 Pa Thông số này là yếu tố cơ bản để đánh giá một hệ thẩm thấu ngược Trong nghiên cứu môi trường, việc hiểu được thành phần và đặc tính của môi trường nước trong đó có cả tính thẩm thấu của hệ chúng ta có thể có những giải pháp tốt cho việc lựa chọn công nghệ xử lý Áp suất thẩm thấu đặc trưng cho xu thế của dung môi thâm nhập vào dung dịch, hoặc ngược lại, của chất tan vào dung môi Xu thế này giống như sự dãn nở khí do entropi tăng lên gây ra

Vì thế trong quá trình này năng lượng không thay đổi

7.3.6 Tính chất điện của nước

a) Hằng số điện môi

Hằng số điện môi (ε) đôi khi còn gọi là hằng số điện môi tỷ đối, đặc trưng cho ảnh hưởng của môi trường lên tương tác cảu chất, hằng số điện môi của nước trong chân không bằng 1 đơn vị (εo =8,8542.10-12F/m) Hằng số điện môi của nước được biết là cao nhất với giá trị 80 F/m Đó là lý do tại sao lực ion hoá của nước là quá lớn

b) Tính dẫn điện

Nước dẫn điện kém Độ dẫn điện của nước tinh khiết luôn ở khoảng 4,2 µS/m ở

20oC Sự có mặt của các muối tan trong nước làm tăng độ dẫn điện của nó Nồng độ muối tan càng lớn độ dẫn càng cao Hình 7.9 mô tả sự phụ thuộc của độ dẫn điện và điện trở suất vào nồng độ muối tan

Hình 7.9.Ảnh hưởng của nồng độ muối đến độ dẫn và điện trở suất

Mặt khác, độ dẫn cũng thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ càng tăng thì độ dẫn càng tăng Đa số các muối có độ tan trong nước lớn khi tăng nhiệt độ Hình 7.10 biểu diễn sự phụ thuộc của độ dẫn và điện trở suất vào nhiệt độ

252

Độ

dẫ

n

Hình 7.10 Sự phụ thuộc của độ dẫn và điện trở suất vào nhiệt độ

Nhờ tính chất dẫn điện như trên nước có khả năng hoà tan nhiều muối và khoáng chất, làm phân ly các phân tử trung hoà thành ion và kết tinh trở lại khi hạ nhiệt độ

7.3.7 Tính chất quang học của nước

Độ trong suốt của nước phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền qua nó Trong khi các tia cực tím truyền vào nước rất tốt thì các tia hồng ngoại có ích cho các quá trình vật lý và sinh học lại lọt vào nước một cách khó khăn Nước hấp thụ một phần rộng ánh sáng nhìn thấy màu đỏ và da cam; phần phổ màu xanh của ánh sáng chỉ xuyên qua được một lớp mỏng nước Dựa vào tính trong suốt của nước, người ta có thể đo các dạng ô nhiễm và hiệu quả của việc xử lý nước sạch

Sự hấp thụ nhiệt từ năng lượng mặt trời chiếu xuống nước được chia thành 2 phần: năng lượng bức xạ trực tiếp (trực xạ) và năng lượng bức xạ khuếch tán Năng lượng trực

xạ chỉ xuất hiện ban ngày khi trời quang mây tạnh

Hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời phụ thuộc vào thời điểm tiếp nhận năng lượng (ban ngày hay ban đêm), thời gian được chiếu sáng, cường độ chiếu sáng hay góc tới của ánh sáng

* Đối với năng lượng trực xạ: Khi độ cao mặt trời lớn (góc chiếu khoảng 30-80o, mặt nước phẳng chỉ phản xạ 2-6% bức xạ mặt trời Khi độ cao giảm (góc tới chỉ khoảng

15o), năng lượng phản xạ tăng nhanh rõ rệt, mặt nước phẳng phản xạ khoảng 21% Ở Góc tới 1%, sự phản xạ chiếm ưu thế (90%) năng lượng trực xạ

* Đối với năng lượng bức xạ khuếch tán: Theo quy luật, hệ số phản xạ của mặt

nước phẳng đối với bức xạ khuếch tán chỉ vào khoảng 5-10% Hệ số này tăng khi dòng bức xạ khuếch tán giảm

- Nếu nước có nhiệt độ > 0oC, nước sẽ phản xạ sóng dài vào khí quyển Sự phản xạ sóng dài vào khí quyển phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm mặt đệm, sự phân bố độ ẩm và nhiệt

Độ dẫ n

độ không khí theo phương thẳng đứng, hàm lượng hơi nước, điều kiện mây mù, hàm lượng

CO2

- Sự hấp thụ năng lượng bức xạ ban ngày làm cho nhiệt độ của lớp nước bề mặt cao lên Nhưng khi tắt mặt trời, nhiệt độ của không khí trên mặt nước trở nên thấp hơn nhiệt độ của nước Nước khi đó lại truyền nhiệt trở lại cho không khí

- Nước có khả năng hấp thụ 95% bức xạ sóng dài của khí quyển vào mình để chuyển thành nhiệt và truyền một phần này xuống lớp nước sâu hơn

7.4 Tính chất hoá học của nước [2, 4, 7, 8, 21, 22]

Nước là một hợp chất vô cùng quan trọng Ở nhiệt độ phòng, nước là một chất lỏng không màu, không mùi, không vị Nước sôi ở 100oC (212oF) và đông đặc ở 0 oC (32oF) Năng lượng hình thành phân tử nước thuộc vào loại cao 242 kJ/mol (58 kcal/mol) Nước, bản thân nó là một chất cực kỳ bền, rất khó bị phá huỷ bởi nhiệt Chỉ khi điện phân nước, chúng ta mới làm phân tử nước bị phá vỡ cho khí hydro và oxy Độ bền này cùng với các tính chất điện và thành phần phân tử làm cho nước trở thành một dung môi phù hợp để hoà tan nhiều chất Hầu hết các chất khoáng là tan trong nước, nhiều chất khí và chất hữu cơ cũng vậy

7.4.1 Tính chất dung môi của nước

Để phân ly được một chất tức là chúng ta phải tìm cách phá huỷ lực làm kết dính

nó Những lực này thường là lực tĩnh điện hoặc lực Coulomb, được biểu hiện dưới những dạng sau:

- Lực tồn tại giữa các nguyên tử trong phân tử: những lực này thường tạo ra các liên kết hoá học mạnh như các liên kết cộng hoá trị (giữa các nguyên tử) hoặc các liên kết ion (giữa nguyên tử và các electron)

- Lực tồn tại giữa các phân tử: tạo ra liên kết giữa các phân tử như liên kết hydro chẳng hạn

- Lực hấp dẫn yếu như lực London, lực Van der Waals, giữa các chất với nhau.Nước là một phân tử lưỡng cực (mô men lưỡng cực phân tử là 1,84 D), nên nó có khả năng hydrat hoá cao Bằng cách tấn công vào mắt xích liên kết yếu nhất của chất, nó

có thể phá huỷ hoàn toàn hoặc một phần các liên kết tĩnh điện khác nhau giữa các nguyên

tử và phân tử của chất bị hoà tan và thay thế vào đó những liên kết mới với các phân tử nước để tạo ra những cấu trúc mới Đây là một phản ứng hoá học thực sự, đó là sự solvat hoá Solvat hoá hoàn toàn tức là hoà tan Tính chất phân cực là nguyên nhân để nước có thể hoà tan nhiều hợp chất ion và các muối, mà những chất này không bị tan vào các chất lỏng khác Ví dụ sự hoà tan của NaCl trong biển, các muối thải trong nước tiểu, Ca(HCO3)2

254

trong hồ và trong các quá trình địa chất, các axit công nghiệp Ở đây chúng ta xem xét một

ví dụ khi cho muối ăn vào nước, quá trình hoà tan xảy ra theo phản ứng:

NaCl + H2O > Na+ n(H2O) + Cl-.n(H2O) + Q (-)

Mặt khác, nhờ có liên kết hydro mà nước có khả năng lôi kéo các phân tử hoặc ion chất tan vào dung dịch Khi đó các liên kết hydro mới sẽ được hình thành giữa các nguyên

tử hydro hoặc oxy của các phân tử nước với các phân tử chất tan (hình 7.5.1)

Hình 7.11 Liên kết hydro giữa các phân tử nước với nhau và với chất tan

Liên kết hydro là một trong những nguyên nhân chính để một vài protein có thể tan vào dung dịch nước hoặc lơ lửng trong nước

Quá trình hoà tan các khí như N2, O2 vào nước lại khá khác ở trên Thực chất là các phân tử khí trộn lẫn với các phân tử nước và chiếm lấy chỗ trống phù hợp cho nó mà các phân tử nước đã tạo ra sẵn Nếu nước toả nhiệt thì có thể một số ít các phân tử khí sẽ bị đuổi ra khỏi sự hoà tan, giống như khi ta đun nước có những bọt khí nhỏ xuất hiện Nước bão hoà không khí ở 25oC chứa 8 ppm O2

Không giống như các khí trơ (Ar) và các khí không phân cực (N2, O2) có dạng đơn giản trong nước, khí HCl khi hoà tan vào nước thì cơ chế lại khác Nước phá vỡ liên kết cộng hoá trị hình thành giữa nguyên tử hydro và nguyên tử clo để tạo ra ion Cl- và H+ , theo hình dưới đây:

H - Cl (g) H+ (aq) + Cl- (aq)

Hình 7.12.: Sự hoà tan HCl vào nước

Nước có thể hấp thụ một lượng lớn HCl, chẳng hạn 100 g nước ở 0oC hoà tan được

82 g khí Nói chung nhiệt độ làm tăng khả năng hoà tan của các chất vào nước

a)Tính tan của các pha khác nhau

* Với các khí: các khí khác nhau có độ tan trong nước khác nhau Độ tan của các

khí tuân theo định luật Henry (S = kP) Ví dụ ở 10oC độ tan của các khí chính (tinh khiết) dưới áp lực 102 kPa thể hiện ở bảng 7.6) Các anhydrit như CO2, SO2 và các axit dễ bay hơi khác nhau (HCl) tan vào nước và sau đó kết hợp với nhiều chất khác qua phản ứng hoá học, thì sẽ có hệ số tan cao hơn nhiều các khí khác

Bảng 7.6 Độ tan của khí trong nước

độ tối thiểu như trimetylamin chỉ tan hoàn toàn trong nước ở nhiệt độ < 18,6 oC ; hoặc giữa

2 nhiệt độ tới hạn (hệ nước-nicotin)

* Với chất rắn: Sự hoà tan một chất rắn vào nước phụ thuộc rất nhiều vào bản chất

hoá học của chất, ví dụ AgNO3 dễ tan trong nước nhưng AgCl lại khó tan Áp suất hầu như không ảnh hưởng đến độ tan của chất rắn, nhưng nhiệt độ ảnh hưởng phức tạp đến độ tan của chất rắn Chẳng hạn KNO3 tan nhanh theo nhiệt độ, nhưng độ tan của NaCl trong nước tăng chậm theo nhiệt độ Một số ít chất khi tăng nhiệt độ thì độ tan trong nước giảm (Ca(OH)2 )

Ngoài ra khả năng tan của chất còn phụ thuộc vào thành phần hoá học của nước Nếu nước tinh khiết thì nhiều chất rắn không thể tan được, nhưng trong nước có những tạp chất gây thay đổi pH, tạo phức thì lại có thể làm tan chất:

H2O (tinh khiết) + CaCO3 > không có phản ứng gì

H2O (có chứa CO2) + CaCO3 > tăng khả năng tan lên 60 lần (xem 8.2.3)

b) Khả năng hoà tan

Độ tan của một chất có thể khác nhau trong các dung môi khác nhau Ví dụ: NaCl tan nhiều trong nước hơn trong ancol; par tan trong benzen nhưng không tan trong nước

Độ tan trong nước phụ thuộc vào bản chất của chất tan hoặc ít nhất vào những nhóm chủ yếu tạo thành nó Các nhóm đặc trưng được phân loại là:

- Ưa nước như (OH - CO - NH2 ),

- Kỵ nước như (CH3 - CH2 - C6H5),

Trong một vài trường hợp thì sự solvat hoá hoặc việc làm ẩm một cách đơn giản cũng trở thành cấu tử thứ ba đưa vào để làm chất hoà tan các chất đối với các dung dịch phân tử Chẳng hạn như: 1peptizer cho thể keo huyền phù; một chất ổn định hoặc tạo nhũ cho việc nhũ hoá và tạo trạng thái lơ lửng; và một tác nhân làm ẩm đối với các mục đích

bề mặt Những tác nhân trung gian này tạo liên kết thực giữa dung môi và chất bị tan Mối liên kết tạo thành từ phía dung môi là do nhóm ưa nước, trong khi mối liên kết từ phía chất tan bị biến đổi có thể thành một liên kết hoá học (bazơ hoạt động hoặc axit mạnh) hoặc liên kết phân tử Liên kết phân tử được hình thành từ các phân tử có đối xứng ngược chiều (bán thấm) - tương tự như nước và các hydrophil, trong khi đó, các loại hợp chất không ưa nước, thì lại có xu hướng kết hợp (các chất hoạt động bề mặt, natri triphosphat, tác nhân làm ẩm) với các phân tử của chất tan đã được ổn định hoặc đã bị hấp thụ trên bề mặt của nó Dẫn đến, một khối tập hợp ưa nước hơn hoặc một phức hấp thụ sẽ được hình thành

Ngoài các yếu tố kể trên tác động đến độ tan của chất trong nước ta còn phải chú ý đến khả năng làm mất các tính ưa nước Đó là trường hợp tác nhân trung gian có thể phá

vỡ liên kết giữa dung môi và chất bị tan, bị phân tán hoặc bị thấm ướt Tuỳ vào từng trường hợp yêu cầu, mà tác nhân được chọn là chất tạo kết tủa, đông tụ, tạo bông, làm đặc

và loại nước (giảm độ ẩm) Việc phá vỡ liên kết có thể do hoạt động hoá học như làm mất nhóm OH hoặc các nhóm bị ion hoá Các tác nhân trung gian cũng có thể phá huỷ lực kết dính bán thấm liên kết nhờ sự trung hoà phần hydrophil hoặc nhờ sự hút phần hydrophob trên mỗi một bề mặt của các bọt khí (sự tạo bông) hoặc của một chất hấp thụ không hoà tan ưa nước kém hơn hoặc tốt hơn

Việc phá vỡ liên kết có thể do sự trung hoà các lực tĩnh điện (nhờ hoạt động của các cation đa hoá trị và các đa điện phân ion)

c) Hoạt độ và nồng độ

Mối liên hệ giữa chất tan và dung môi có thể được biểu diễn theo một vài cách sau:-Tỷ lệ phần mol: tỷ lệ của số các phân tử chất tan (a) trên tổng số các phân tử của dung môi + chất tan (b), ký hiệu là a:b

-Nồng độ mol (hay còn gọi là phân tử gam): số mol chất tan trong một lít dung dịch, được ký hiệu bằng chữ M hoặc mol/l,

-Nồng độ (hàm lượng) phần triệu và phần tỷ: đối với dung dịch rất loãng hoặc hàm lượng chất tan rất nhỏ người ta thường dùng khái niệm nồng độ phần triệu hoặc phần tỷ Nồng độ phần triệu là số micro gam có trong một gam hoặc 1 micro gam chất tan trong 1 gam dung dịch, được ký hiệu là ppm (parts per million) Tức là:

Cppm = khối lượng chất tan X 106/khối lượng dung dịch (ppm)

Với các dung dịch nước rất loãng thì có thể coi gần đúng khối lượng riêng của nước bằng 1g/ml hoặc 1kg/l Do đó, 1ppm = 1 µg/ml dung dịch chất tan hoặc 1mg/l

Với các dung dịch loãng hơn, người ta dùng kí hiệu ppb (parts per billion)

Cppb = khối lượng chất tan X 109/khối lượng dung dịch (ppb)

Nhìn chung, trong các dung dịch rất loãng nồng độ của một chất tan (kể cả chất tan

là khí tuân theo định luật khí lý tưởng) thường bằng hoạt độ Nhưng khi nồng độ dung dịch khá lớn, chúng ta cần phải tính đến tương tác tĩnh điện giữa chúng và phải thay nồng độ bằng hoạt độ: a = fC Đại lượng f được gọi là hệ số hoạt độ (f luôn luôn ≤ 1) và có xu hướng tiến tới 1 khi dung dịch rất loãng

258

7.4.2 Cân bằng hóa học của nước

Một hợp chất vô cơ tan trong nước tới một khoảng nào đó cho một lượng các các anion và cation nhất định Chất tan đó được gọi là một chất điện ly và tuân theo phương trình sau:

AB ⇔ A+ + B

-Ở đây một dung dịch đơn giản chứa một số các chất điện ly, mà mỗi chất bị phân ly tới một khoảng xác định và các ion hình thành có thể kết hợp với một ion khác để tạo thành hợp chất mới Chẳng hạn, nếu 2 hợp chất AB và CD bị hoà tan thì dung dịch sẽ chứa các phân tử AB, CD, AD và BC theo một cân bằng với các ion A+ , B- , C+ và D- Cân bằng này có thể thay đổi nếu hình thành các hợp chất không tan, hợp chất phức hoặc các chất khí ( nguyên lý Lơ sa tơ lie) Ví dụ, nếu hợp chất AD là không tan, cân bằng hầu như bị chuyển dịch hoàn toàn sang phía phải tuân theo phản ứng:

AB + CD AD + CB

CB ⇔ C+ + BMột vài các axit hoặc bazơ bị hoà tan một cách hoàn toàn thậm chí trong các dung dịch tuơng đối đậm đặc Chúng được gọi là các chất điện ly mạnh Chẳng hạn:

-NaCl ⇔ Na+ + ClCác chất khác như axit axetic, axit cacbonic chỉ bị hoà tan một phần vào dung dịch Chúng là những chất điện ly yếu Trong trường hợp này, chúng ta phải phân biệt độ axit tổng số bao gồm tất cả các ion H+ có thể có và độ axit tự do gồm các ion H+ phân ly Ví dụ axit cacbonic trong nước:

-H2CO3⇔ HCO3- + H+ (1); HCO3-⇔ CO32- + H+ (2); H2O ⇔ OH- + H+ (3)

⇒ Σ[H+] = [H2CO3] (tự do) + [H+] (1) + [H+] (2) + [H+] (3)Nước tự bản thân nó bị phân ly không hoàn toàn thành các ion theo phản ứng thuận nghịch:

H2O ⇔ H+ + OHĐiều này có nghĩa là trong nước có cả phân tử H2O và OH- (ion hydroxit) và ion H+ (trong dạng hydrat H3O+ gọi là ion hydroni)

-CO2 khi được hoà tan vào trong nước sẽ bị hydrat hoá tạo thành dạng phân tử CO2

nH2O và thực chất trong dung dịch nó sẽ tồn tại cả ở dạng CO2 (hoà tan), H2CO3, HCO3-

và CO32-