Hóa học nước

Hóa học nước

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

1 1 Nước và tính chất của nước

1.1.1 Thành phần, cấu tạo và tính chất của nước

a Thành phần, cấu tạo của nước

Nước là một hợp chất hoá học rất đặc biệt, trong đó mỗi nguyên tử hiđro góp một điện tử vào đôi điện tử dùng chung với nguyên tử oxy để tạo thành liên kết cộng hóa trị Trong mỗi phân tử nước có hai nguyên tử hiđro và một nguyên tử oxy

H2 O2 H300 0 C 2OHai nguyên tử hiđro liên kết với oxy tạo góc liên kết 105o

Trong nguyên tử oxy, hạt nhân của nó thường có điện tích rất mạnh Chính vì thế

nó có xu hướng kéo điện tử bật khỏi nguyên tử hiđro nhỏ hơn Kết quả là chúng có ưu thế trong mối liên kết cộng hóa trị Do đó, trong phân tử nước có điện tích dương gần với nguyên tử hiđro và có điện tích âm gần với nguyên tử oxy

Hyđro có 3 đồng vị Proti (1H), Dơtri (2H) và Triti (3H) Trong thiên nhiên 1Hchiếm từ 99,985 ÷ 99,986% tổng số nguyên tử; 2H chiếm từ 0,0139 ÷ 0,0151% tổng số nguyên tử; đồng vị 3H có tính phóng xạ, với chu kỳ bán hủy là 12,4 năm

Oxy cũng có 6 đồng vị: 14O, 15O, 16O, 17O, 18O, 19O nhưng chỉ có 3 đồng vị thiên nhiên là 16O (chiếm 99,759% tổng số nguyên tử), trong khi đó 17O (chiếm 0,037%) và

18O(chiếm 0,037%)

Hiđro được phát hiện vào thế kỷ thứ 16, do nhà giả kim thuật người thụy sỹ là paraxen (1493-1541) Oxy được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1711 do Karl Wilhem Scheele do một nhà hóa học người thụy điển (1742-1786)

Nước có M = 18 là nước thường, chiếm 99,8% tổng lượng nước tự nhiên

Nước có M ≥ 19 là nước nặng, chiếm 0,2% tổng lượng nước tự nhiên

Hàm lượng các loại nước nặng trong tự nhiên phân bố rất khác nhau Nguyên nhân là do hàng loạt các quá trình vật lý, hóa học, sinh học xảy ra khác nhau tạo ra sự phân bố các đồng vị (H và O) khác nhau

Nước là một phân tử phân cực, nên các phân tử nước có tính chất hấp dẫn lẫn nhau nhờ lực hút tĩnh điện Sự hấp dẫn này tạo nên mối liên kết hiđro, nhờ đó ở nhiệt

độ thường chúng ở trạng thái lỏng Giữa các nhóm phân tử nước tồn tại xen kẽ với các phân tử nước đơn lẻ: mH2O ⇔ (H2O)m có ΔH < 0

Giá trị m thay đổi theo nhiệt độ (ở thể hơi m = 1; ở thể rắn m = 5; )

Ở trạng thái rắn, cấu trúc cơ bản gồm một phân tử nước ở trung tâm và bốn phân

tử xung quanh, tập hợp thành hình tứ diện (hình 1)

Sự bền hóa cấu trúc của nước đá không những do có mặt các ion lỗ trống của nó,

mà còn do đưa thêm vào những phân tử tạo được liên kết hiđro với các phân tử nước

Mặt khác, cấu trúc của nước được làm bền, khi nước còn nằm ở trạng thái lỏng và khi

- Ở áp suất khí quyển là 1 atm, nước đông đặc ở OoC, sôi ở 100oC, rất cao so với

điểm sôi của các hợp chất tương tự cùng nhóm

- Nhiệt độ sôi của nước giảm khi áp suất bên ngoài giảm (Bảng 2)

Bảng 2 Mối liên hệ giữa nhiệt độ sôi và áp suất của nước thường

Áp suất P (mmHg) 4,5 9,2 17,5 31,8 55,3 92,5 760

- Nước là một loại dung môi rất tốt, có khả năng hòa tan một số chất rắn, khi nồng

độ chất tan trong nước càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao và nhiệt độ đông đặc của

dung dịch càng thấp

- Độ hoà tan của các khí trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

- Sức căng bề mặt của nước lớn hơn sức căng bề mặt của các chất lỏng khác

- Nước là chất lỏng không có màu, trong suốt, cho ánh sáng và sóng dài đi qua (hấp

thụ ánh sáng sóng ngắn mạnh hơn) giúp cho quá trình quang hợp có thể thực hiện ở độ

sâu trong nước

- Nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cực đại ở 3,98oC (≈ 4oC) không phải là điểm

đóng băng, do vậy mà nước đã nở ra khi đóng băng Tỷ trọng của nước thay đổi theo

nhiệt độ

Đối với nước tinh khiết sự thay đổi này như sau:

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

- Tất cả các quá trình trao đổi chất của tế bào phải thông qua nước, bao gồm: Các quá trình đồng hoá; các quá trình dị hoá và lên men

- Nước là trung tâm cuộc sống của vi khuẩn

1.1.2 Sự hòa tan các chất trong nước

Nước là một dung môi đặc biệt: ở nhiệt độ thường trên bề mặt trái đất, nước là chất lỏng có khối lượng phân tử nhỏ nhất lại phân cực mạnh, vì vậy có khả năng xâm nhập hòa tan rất nhiều các chất vô cơ, hữu cơ thành dung dịch Với phân tử nhỏ và phân cực mạnh, nước cũng có khả năng thấm ướt và phân rã các chất khó tan tạo thành các hệ phân tán như keo, huyền phù

a Sự hòa tan chất rắn trong nước

Nước có thể tạo liên kết hiđro với các chất hòa tan Các chất hòa tan có thể ở dạng ion cũng có thể không ở dạng ion Cả hai loại này đều có thể hòa tan trong nước

Sự hòa tan bao chủ yếu gồm 2 quá trình: lý học và hoá học (hiđrat hoá)

- Quá trình lý học thường thu nhiệt: ΔΗa > 0

- Quá trình hiđrát hoá thường toả nhiệt: ΔΗb < 0

Nhiệt của quá trình hoà tan ΔΗ (là lượng nhiệt toả ra hay thu vào khi hòa tan một mol chất tan vào nước):

ΔΗ = ΔΗa + ΔΗb (1-1) Nếu ΔΗ > 0 : thì quá trình hòa tan là thu nhiệt

Nếu ΔΗ < 0 : thì quá trình hòa tan là toả nhiệt

Ví dụ: Hòa tan NaCl vào nước, quá trình có thể chia làm 2 bước:

- Bước 1: Phá vỡ cấu trúc tinh thể của chất tan để tạo thành tiểu phân riêng biệt Tiếp

đó là phá vỡ lực liên kết liên phân tử giữa các phân tử dung môi để tạo ra các khoảng trống cho các tiểu phân của chất tan xâm nhập Trong đa số trường hợp đều thu nhiệt

- Bước 2: Xảy ra tương tác giữa các tiểu phân của chất tan và các phân tử dung môi để

tạo thành dung dịch, tức xảy ra quá trình solvat hóa Quá trình hòa tan là toả nhiệt

Nhiệt hoà tan của dung dịch, chính là tổng nhiệt của các giá trị trên

Tùy quá trình nào chiếm ưu thế mà giá trị ΔH (hiệu ứng nhiệt của phản ứng)có

thể (+) hoặc (-) hay nói cách khác quá trình hòa tan thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt Thực tế,

nhiệt hòa tan NaCl trong nước khoảng 3KJ/mol

Độ hòa tan của một chất là nồng độ bão hòa của dung dịch chứa chất tan đó ở

một nhiệt độ xác định Độ hoà tan thường được ký hiệu là S (S tính theo mol/l hay g/l)

Dung dịch bão hòa là dung dịch chứa lượng chất tan bằng độ hòa tan của nó tại

một nhiệt độ xác định

Dung dịch quá bão hòa là dung dịch chứa lượng chất tan lớn hơn độ hòa tan của

nó tại một nhiệt độ xác định

b Độ hòa tan chất khí trong nước

Sự có mặt của chất khí hoà tan có vai trò rất lớn đối với các đặc tính hoá, sinh

học của nước, đặc biệt là oxy và khí cacbonic

Sự tồn tại của các chất khí trong nước đã làm biến đổi pH và tính thế oxy hoá

khử (Eh) của nước, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng của nước

Sự hòa tan phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ của nước, độ khoáng

hóa của nước và áp suất của chất khí đó

Xét sự gia tăng độ tan của khí trong dung dịch: giả sử đang xảy ra cân bằng giữa

chất khí và chất lỏng, nghĩa là số phân tử khí thoát ra hoặc tan vào dung dịch với tốc

độ bằng nhau Nếu ta tăng áp suất, số phân tử khí trong một đơn vị thể tích sẽ gia tăng,

khí sẽ tan vào dung dịch với tốc độ lớn hơn tốc độ thoát ra, lúc này nồng độ khí tan

trong dung dịch sẽ tăng cho đến khi một cân bằng mới được thiết lập và dĩ nhiên lúc

này dung dịch sẽ chứa một lượng khí tan nhiều hơn Sự phụ thuộc độ hòa tan của chất

khí và áp suất riêng phần của khí đó trên mặt nước tuân theo định luật Henry:

Độ hoà tan của một chất khí trong chất lỏng ở một nhiệt độ không đổi tỷ lệ thuận

với áp suất riêng phần của khí đó tác dụng lên chất lỏng

Gọi Si (mg/l) là độ hòa tan của khí i:

Si = k.Pi (1-2)

k : hằng số Henry, phụ thuộc vào bản chất của chất khí và nhiệt độ

Bảng 4 Sự phụ thuộc của hằng số Henry (k) vào nhiệt độ

k Nhiệt độ ( o K)

Định luật Henry chỉ đúng trong trường hợp khí tan không phản ứng với dung môi, ví dụ: đúng với trường hợp khí O2 tan trong nước, nhưng không đúng với trường hợp HCl tan trong nước vì ở đây xảy ra sự phân ly của HCl

Ví dụ: Xác định độ hoà tan (S) của O2 ở 279oK dưới áp suất p = 0,2163.105 N/m2

Tra bảng 4 ta được: k = 57,47.10-5

S = 57,47.10-5 0,2163.105 ≈ 12,43 mg/l

Độ hòa tan các chất khí trong nước tăng khi nhiệt độ nước giảm

Chất khí là hợp chất có độ hòa tan lớn hơn chất khí là đơn chất do các phân tử hợp chất thường là phân tử phân cực

Thông thường khi độ khoáng của nước tăng lên thì độ hòa tan của các khí giảm

Độ hòa tan của O2 sẽ giảm 25% khi tăng lượng muối hòa tan trong nước tới 40 gam

c Độ hòa tan chất lỏng trong nước

Chất có cùng bản chất phân cực hòa tan tốt vào nhau, mà sự phân cực của một chất được xác định bởi cấu trúc của nó (dạng lai hoá, sự tương tác giữa các electron ở lớp vỏ điện tử, ) Do đó, giữa cấu trúc và độ tan có một mối quan hệ xác định

Thông thường các chất lỏng phân cực thường dễ hòa tan trong nước; Các chất hữu cơ thường khó hòa tan trong nước

1.1.3 Định luật tác dụng khối lượng

a Tốc độ phản ứng

Trong quá trình phản ứng nồng độ các chất phản ứng giảm dần còn nồng độ các chất sản phẩm tăng dần Phản ứng xảy ra càng nhanh thì trong một đơn vị thời gian thì nồng độ các chất phản ứng giảm xuống và nồng độ các chất sản phẩm tăng lên càng nhiều Như vậy, có thể dùng độ biến thiên nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng theo thời gian để làm thước đo tốc độ phản ứng

Tốc độ phản ứng là đại lượng đặc trưng cho diễn biến nhanh hay chậm của một phản ứng Nó được đo bằng độ biến thiên nồng độ của các chất phản ứng hay sản phẩm phản ứng trong một đơn vị thời gian

v− vận tốc trung bình trong khoảng thời gian từ t1 đến t2;

ΔC: sự biến thiên nồng độ mol của chất khảo sát từ C1 đến C2

A K

V = [ ]a[ ]b =−

b Hằng số cân bằng

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

Thực nghiệm cho thấy, với phản ứng đồng thể thì: vận tốc của phản ứng tỷ lệ

thuận với tích nồng độ các chất tham gia

Vận tốc phản ứng thuận là: v1 = k1[A][B]

Vận tốc phản ứng nghịch là: v2 = k2[C][D]

Giả sử lúc bắt đầu phản ứng, chỉ có A, B hiện diện Vận tốc phản ứng thuận v1

lúc đầu rất lớn, vận tốc phản ứng nghịch v2 bằng không Phản ứng càng xảy ra lâu, nồng độ các chất A, B càng giảm , nồng độ các sản phẩm C, D càng tăng

Như vậy, v1 giảm dần theo thời gian, còn v2 tăng dần theo thời gian Sau một thời gian vận tốc phản ứng thuận v1 sẽ bằng vận tốc phản ứng nghịch v2, lúc này phản ứng đạt trạng thái cân bằng:

CB: cân bằng, chỉ nồng độ các chất C, D, A, B lúc đạt trạng thái cân bằng

KC được gọi là hằng số cân bằng của phản ứng liên hệ đến nồng độ (mol/l) Kc chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bản chất của phản ứng, mà không phụ thuộc vào nồng độ các chất trong phản ứng

k1, k2 : đặc trưng cho hằng số tốc độ của phản ứng thuận nghịch, chỉ phụ thuộc vào bản chất phản ứng và nhiệt độ

Với [A], [B], [C], [D] là nồng độ của A, B, C, D lúc cân bằng

Kc: hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc vào bản chất hệ phản ứng và nhiệt độ

Ta có:

][

][][

Hằng số cân bằng K gọi là hằng số điện ly hoặc hằng số ion hóa, đặc trưng cho khả năng điện ly của một chất; K càng lớn thì sự điện ly càng mạnh, chất điện ly phân

ly ra các ion càng nhiều và ngược lại K phụ thuộc vào bản chất của chất điện ly, dung môi và nhiệt độ

d Tích số hòa tan

Giả sử có chất điện li ít tan AnBm trong nước có cân bằng:

AnBm ⇔ Am+ + Bn- (chất rắn) (trong dung dịch) Quá trình thuận nghịch đạt trạng thái cân bằng, ta có dung dịch bão hòa chất điện

ly ít tan Áp dụng định luật tác dụng khối lượng vào cân bằng dị thể ta có:

Như vậy, trong dung dịch bão hòa chất điện ly ít tan tích số hoạt độ các ion với

số mũ tương ứng là một hằng số, hằng số này có tên là tích số tan

Vì chất điện ly khó tan có nồng độ rất nhỏ, nên đa số trường hợp có thể coi hoạt

độ bằng nồng độ, khi đó biểu thức tích số tan có dạng đơn giản:

1.1.4 Hoạt độ các ion trong dung dịch

a Khái niệm về hoạt độ

Hoạt độ là nồng độ hiệu dụng của các ion trong dung dịch

Thực tế cho thấy nồng độ các ion trong dung dịch càng lớn thì sự tương tác

tương hỗ giữa chúng càng mạnh, sự khác nhau giữa a và C càng lớn, f càng nhỏ và

ngược lại

Trong nước tự nhiên, nồng độ các ion thường rất nhỏ (< 200 mg/l) nên sự khác

nhau giữa a và C thường không lớn Nhưng với nước có độ khoáng hóa rất cao

(>500mg/l) thì sự khác nhau giữa a và C lại là lớn

b Cách tính hệ số hoạt độ

* Tính lực ion:

Lực ion đặc trưng cho cường độ trường lực chung của các ion trong dung dịch

Nhằm đánh giá tác động tĩnh điện của các ion trong dung dịch

μ

=

= + + = ∑ (1-9) Trong đó Ci: nồng độ thứ i và Zi: điện tích của nó

Vì điện tích của các ion là không đổi, hàm lượng các ion trong nước thường được

tính bằng mg/l nên người ta có thể chuyển đổi công thức trên bằng công thức:

)

(2

1

2 2 1

=

μ (1-10)

C1, C2, … Cn: nồng độ mỗi loại ion (mg/l)

K1, K2, …Kn: hệ số tỷ lệ chuyển đổi được tính sẵn

Bảng 6 Giá trị hệ số tỷ lệ chuyển đổi K

* Tính hệ số hoạt độ:

Trong thực tế chỉ có thể xác định hệ số hoạt độ trung bình f± Chẳng hạn với

chất điện ly AmBn:

) (m n f m f n

− +

.5,0lg

2

- Với dung dịch có lực ion μ > 0,5 thì hệ số hoạt độ f được tính theo công thức:

A r

.5,0lg

8

2

(1-14)

r : bán kính ion ngậm nước tính theo cm

Chú ý: Một số ion có bán kính ngậm nước vào khoảng 3.10-8 cm, thí dụ OH-, F-, Cl-,

Br-, I-, NH4+, Ag+,…; r ≈ 4.10-8 cm cho: Na+, H2PO4-, Pb2+, SO42-, PO43-,

Một số ion ngậm nước khác có bán kính to lớn, đặc biệt ion H+ ngậm nước có

bán kính rất lớn: 9.10-8 cm

A: hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào bản chất của chất điện ly và dung môi

Bảng 7 Giá trị hệ số hoạt độ f theo μ và điện tích ion Z

Hệ số hoạt độ f

μ

0,000 1,00 1,00 1,00 0,001 0,96 0,87 0,72 0,002 0,95 0,81 0,63 0,003 0,92 0,72 0,48 0,010 0,9 0,63 0,35

Từ bảng giá trị trên cho thấy: lực ion càng lớn và ion có điện tích càng lớn, thì hệ

số hoạt độ f càng nhỏ, tức là sự khác giữa nồng độ và hoạt độ càng lớn Còn khi lực

ion nhỏ, với các ion có điện tích thấp, thì f ≈ 1

HCl = H+ + ClCaCl2 = Ca2+ + 2Cl-[H+] = 0,1M; [Ca2+] = 0,2M; [Cl-] = 0,1 + 0,4 = 0,5M

-7,0)2.2,01.5,01.1,0(2

01,0)1.01,01.01,0(2

f K lg Cl 0,5.1.0,1 0,05

M f

f K+ = Cl− =−0,5.12.0,1≈0,9Hoạt độ của các ion: a K+ =a Cl− =0,9.0,01=9.10−3M

Ví dụ 3: Tính hoạt độ của những ion trong dung dịch hỗn hợp: KCl 10-3M và MgSO4

10-3M

Giải:

Lực ion μ của dung dịch:

3 3

2 3 2 3 2

2.10 3 1 10 2 10 2 10 ) 5.101

(2

f K lg Cl 0,5.1.0,07 0,035

lg + = − =− 2 =− → f K+ = f Cl− =0,92 M

M f

a K+ = Cl− =0,92.10−3 =9,2.10−4 ;

M a

a

SO Mg

4

10.2,7

2 2

−

=

+

Ví dụ 4: Trong 1 lít dung dịch CaCO3 bão hoà có chứa 0,292 gam Mg2+ và 0,851 gam

Cl- thì hàm lượng CO32- ( tính theo hoạt độ ) là bao nhiêu ? Biết 3,6.10 9

3

−

=

ΤCaCOGiải:

CaCO3 hoà tan theo phương trình:

CaCO3 ⇔ Ca2+ + CO32-

].[

2 2 3

− +

− +

→

f f

f CO

5 2

9 2

2 3

10 6 10

6 , 3 ]

,0]

851,0851

,0]

036,0)1.024,02.012,0(2

=

μ

036,01

036,02.5,0lg

48,0

10.610

.6]

1.2 Nước thiên nhiên

1.2.1 Giới thiệu chung

Nước thiên nhiên chiếm 1% tổng lượng nước trên trái đất, bao gồm các loại nước

có nguồn gốc thiên nhiên như nước sông, ao, hồ, suối, biển, đại dương Nước thiên nhiên là một hệ dị thể nhiều thành phần, vì nước thiên nhiên luôn chứa những lượng các chất tan và không tan có nguồn gốc từ vô cơ và hữu cơ

Tổng trữ lượng nước tự nhiên trên Trái đất khoảng từ 1.385.985.000 km3 đến 1.457.802.450 km3 Nước tự nhiên tập trung phần lớn ở biển và đại dương (trên 97,61%), sau đó là các khối băng ở cực (1,83%), rồi đến nước ngầm (0,54%) Nước

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

chiếm khoảng 0,001%, trong sinh quyển 0,002%

Nước cần cho nhu cầu sống của mọi cơ thể Nước chiếm tới 80 - 90% trọng

lượng sinh vật sống trong môi trường nước và 44% trọng lượng cơ thể con người

Nước đáp ứng các yêu cầu đa dạng của con người: tưới tiêu cho nông nghiệp, sản xuất

công nghiệp, tạo ra điện năng và tô thêm vẻ đẹp cho cảnh quan

Hằng năm có khoảng 5 triệu km3 nước bay hơi từ đất và các nguồn nước mặt

(sông, hồ, đại dương, ) sau đó ngưng tụ và mưa xuống, lượng nước do khối nước trên

bay hơi hấp thụ xấp xỉ gần 3.1020kcal/năm

Bảng 8 Thể tích các nguồn nước tự nhiên trên thế giới

Lượng nước ngọt được con người sử dụng có nguồn gốc ban đầu là nước mưa

ước chừng 105.000 km3, trong đó khoảng 1/3 chảy ra sông, còn lại 2/3 quay trở lại khí

quyển do bốc hơi bề mặt và thoát hơi nước ở thực vật Nếu xem 1/3 lượng nước mưa

kể trên (khoảng 40.000 km3) là nguồn nước cung cấp tiềm năng cho con người thì với

số dân hiện tại, mỗi người mỗi ngày nhận được trung bình 16 lít nước

1.2.2 Các quá trình hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên

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

Sự hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên phụ thuộc vào điều kiện

hình thành, quá trình di chuyển của nó, thành phần và các đặc tính hóa học của các

chất mà nó tiếp xúc Bao gồm các quá trình chủ yếu sau:

- Quá trình hoá học (hoà tan, hấp thụ, oxy hóa khử,…)

- Quá trình sinh hóa (quang hợp, phân giải,…)

- Quá trình vật lý (bốc hơi, đóng băng, mưa, tan băng,…)

Sự tác dụng tương hỗ của nước với môi trường xung quanh có thể làm tăng hàm

lượng các chất trong nước, có thể làm giảm hàm lượng các chất trong nước và cũng có

thể thay đổi thành phần hóa học của nước thiên nhiên

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành thành phần hóa học của nước

thiên nhiên

* Ảnh hưởng do quá trình phong hóa của đá:

Các tính toán của các nhà địa chất cho thấy: trọng lượng các nhóm đá trong vỏ trái

đất có tỷ lệ phân bố: macma 65%, biến chất (mentamorphic) 25% và trầm tích 10%

Đá macma gồm hai loại: đá xâm nhập và đá phún xuất có xuất xứ từ quá trình

hoạt động của núi lửa

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

Đá mentamorphic được tạo thành từ đá macma và đá trầm tích do tác động của

áp suất và nhiệt độ cao Trong đó xảy ra các quá trình hóa học và vật lý là những quá trình dẫn tới những khoáng bền nhiệt và có tỷ trọng đặc biệt

Quá trình phong hoá của đá bao gồm:

- Phong hóa vật lý

- Phong hóa sinh học

- Phong hoá hoá học

Những quá trình phong hoá hóa học tương đối đơn giản xảy ra như: Quá trình hoà tan chất kết tinh, quá trình phong hoá do CO2, quá trình thuỷ phân, quá trình phong hoá oxy hoá khử

Kết quả của các quá trình phong hóa đá: sản phẩm được hoà tan trong nước và bị cuốn trôi theo dòng chảy và làm cho thành phần hóa học của nước thay đổi Tuy nhiên, trong quá trình di chuyển trong nước, tính di động của các nguyên tố rất khác nhau:

- Các chất di động mạnh: Cl, Br, I, S

- Các chất dễ di động: Na, K, Mg, Ca

- Các chất ít di động: SiO2, P, Mn

- Các chất di động rất yếu: Fe, Al, Ti

Do tính di động này mà ta thấy nước biển tập trung các chất có tính di động mạnh nhất như Na+, Cl- chiếm ưu thế

* Ảnh hưởng của nước khi tiếp xúc với đất:

Thành phần hóa học của đất phụ thuộc vào từng loại đất và vị trí loại đất đó tồn tại

Nước trong đất lưu thông nhờ những rãnh nhỏ với đường kính trên 10 μm Khi nước thấm qua các loại đất khác nhau thì sự thay đổi thành phần hóa học của nước cũng khác nhau

Nước khi tiếp xúc lâu dài với đất, ngoài khả năng hòa tan các chất trong đất còn

có khả năng trao đổi chất với đất và như vậy cũng làm thay đổi thành phần hoá học của nước Cụ thể:

- Đất hấp phụ các cation của nước: Đất là một hệ keo, các hạt keo đều mang điện

tích âm Vì vậy keo đất có khả năng hấp phụ các cation của nước rất mạnh

- Đất có khả năng trao đổi các ion với nước: Khi hàm lượng một loại cation nào đó

của nước khá cao thì có thể trao đổi với cation khác trong đất

* Ảnh hưởng của chất hữu cơ:

Chất hữu cơ trong nước được hiểu là tàn tích hữu cơ đang phân hủy, tồn tại trong nước ở cả hai dạng hòa tan và lơ lửng, không bao gồm sinh vật sống, trừ sinh vật có kích thước rất nhỏ như vi sinh vật và tảo đơn bào, cũng không bao gồm các tàn tích hữu cơ thô, có kích thước đủ lớn, có thể lấy ra khỏi nước

Các chất hữu cơ sống và các sản vật mà nó sinh ra trong quá trình sống có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần hóa học của nước tự nhiên

* Ảnh hưởng của khí hậu:

Khí hậu có thể làm thay đổi các quá trình phong hóa; thay đổi hoạt động sống của các vi sinh vật; thay đổi quá trình oxy hóa khử trong nước…

* Ảnh hưởng của nước ngầm:

Nước ngầm tiếp xúc với nham thạch nhiều nhất, nên thành phần hóa học của nước ngầm chủ yếu phụ thuộc vào tầng nham thạch và đất chứa nó

Thành phần hóa học và độ khoáng hóa của nước ngầm tầng sâu biến đổi theo mùa ít hơn nước mặt Nước ngầm ở dưới sâu có thể hầu như không chứa chất hữu cơ

và vi khuẩn Tuy nhiên, khả năng ô nhiễm các nguyên tố vi lượng trong nước ngầm

cao hơn nước mặt, điển hình là ô nhiễm Fe, Mn, As, F-, Br-, S2- ,…

1.2.3 Thể khí hòa tan và nồng độ ion hyđro (H + )

Nói chung các chất khí trong khí quyển đều có mặt trong nước do kết quả của hai quá trình cơ bản là khuếch tán và đối lưu

Có nhiều loại khí hòa tan trong nước và có ảnh hưởng tới thành phần hóa học của nước Chúng ta nghiên cứu một số khí chủ yếu hòa tan trong nước

Một số quy luật về sự hòa tan oxy từ pha khí vào nước:

- Có hai nhóm chủ yếu có tác dụng làm giàu oxy trong nước: oxy trong không khí hòa tan vào nước và oxy được tạo ra do quá trình quang hợp

- Các nguồn chủ yếu làm giảm oxy hòa tan trong nước: oxy cần oxy hoá các chất vô

cơ, hữu cơ có trong nước; oxy cần cho sinh vật sống sử dụng để hô hấp; oxy bị giải hấp khỏi nước

- Trong nước, oxy tham gia chủ yếu vào các quá trình: Oxy hóa các chất hữu cơ bằng vi

sinh vật, oxy hoá các chất nitơ bằng vi sinh vật và oxy hoá các chất hóa học khác

- Ở nhiệt độ nhất định, nồng độ bão hòa của oxy trong nước chỉ phụ thuộc vào áp

suất riêng phần của oxy trong pha khí (tuân theo biểu thức định luật Henry)

- Khi nhiệt độ càng tăng, nồng độ muối tăng, quá trình hô hấp tăng dẫn đến độ hòa

tan của oxy càng giảm

Bảng 9 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hòa tan của oxy trong nước

0 14,65 20 8,84

10 11,00 30 7,29

- Hàm lượng oxy hòa tan giảm dần theo chiều sâu của nước

- Khi độ muối tăng, độ hòa tan oxy giảm

Bảng 10 Ảnh hưởng của nồng độ muối đến độ hòa tan của oxy trong nước

Sự giảm độ tan của oxy (mg/l) ứng

với biến đổi mỗi độ muối (1g/l) 0,08405 0,06217 0,04777 0,04085

- Hàm lượng oxy trong nước tự nhiên thường dao động từ 0 đến 14 mg/l

- Trong nước ngọt lượng oxy hòa tan (DO) ở 0oC và 1 atm là 14,65 mg/l Người ta

thường lấy DO ở 250C, 1 atm bằng 8 mg/l

- Mức tiêu thụ oxy trong nước bởi các chất ô nhiễm được biểu thị qua chỉ số nhu

cầu oxy sinh hóa (Biochemical oxygen Demand - BOD) hay nhu cầu oxy hóa học

(Chemical Oxygen Demand - COD)

b Khí cacbonic

Hệ CO32- - CO2 trong nước đóng vai trò rất quan trọng vì nó tham gia vào quá

trình trao đổi giữa khí quyển và nước trên lớp nước bề mặt

Một số quy luật về sự hòa tan cacbonic từ pha khí vào nước:

- Nguồn cung cấp CO2 hoà tan trong nước: từ không khí, sản phẩm của quá trình

oxy hóa các hợp chất hữu cơ và sự thải ra trong quá trình hô hấp của vi sinh vật

- Nguồn làm giảm CO2 trong nước: quá trình giải hấp; quá trình xâm thực của muối

cacbonat và quá trình quang hợp sinh vật tiêu thụ CO2

- CO2 là một khí dễ hòa tan trong nước và độ hòa tan trong nước tăng lên theo chiều

giảm của nhiệt độ Nồng độ CO2 ở lớp bề mặt tuân theo định luật Henry

- Trong nước, khí CO2 có thể tồn tại ở dạng tự do hoặc ở dạng kết hợp với nước

CO2 kết hợp với nước phụ thuộc vào giá trị pH của nước

Khi pH < 5: CO2 + H2O ⇔ H2CO3

Khi pH ≥ 5: H2CO3 ⇔ H+ + HCO3- Khi pH ≥ 8: HCO3- ⇔ H+ + CO32-

- Trong thực tế có thể tăng hoặc làm giảm hàm lượng của khí CO2 trong nước bề mặt

- Ở trầm tích, CO2 tham gia phản ứng:

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2 → Ca2+ + 2HCO3-

Quá trình này dẫn đến sự thay đổi pH của môi trường

c Các khí khác

Đối với các loại khí khác hòa tan trong nước thì H2S là loại khí đáng chú ý

Trong lớp nước mặt có oxy hòa tan thì hàm lượng H2S chỉ tồn tại trong một

khoảng thời gian ngắn vì nó bị oxy hóa rất mạnh

Trong nước ngầm, hàm lượng H2S có khi đạt ở mức độ cao, lớp nước ngầm càng

ở sâu hàm lượng H2S càng cao

Môi trường bazơ: pH > 7

Môi trường trung tính: pH = pOH = 7

Trong nước thiên nhiên, nồng độ ion H+ không phải chỉ phụ thuộc vào sự điện ly

của nước mà chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ hàm lượng H2CO3 ; HCO3- và CO32- và một

số ion khác có trong nước

Cân bằng cacbonat hòa tan (hệ đóng)

Đối với dung dịch hệ cacbonat đơn giản, có 6 cấu tử hòa tan: CO2, H2CO3,

HCO3-, CO32-, H+, OH- Hệ gồm 4 phương trình quan hệ:

H2CO3 ⇔ CO2(aq) + H2O

][

)]

([

3 2

2

ΟΗ

Ο

=Κ

C

aq C

(1-16)

H2CO3 ⇔ H+ + HCO3-

][

]][

[

3 2

3

3

ΟΗΗ

[

3 2

3

ΟΗΗ

=

C C

HCO3- ⇔ H+ + CO32-

] [

] ][

[

3

2 3

− +

Ο Η

Ο Η

= Κ

C

C

(1-19)

H2O ⇔ H+ + OH- ΚH2O = [ Η+][ ΟH−] (1-20)

Lúc này trong hệ gồm có các cấu tử: CO2 (aq), H2CO3, HCO3-, CO32-, H+, OH-

Nồng độ tổng hợp các hợp phần của hệ (CT) được biểu diễn dưới dạng:

CT = [H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]

Mà

][

*]

[]

2 1 2 3

2 2

3

][

*]

[]

[

*]

[.][][

][

ΟΗ

Κ

=Η

ΟΚ

+ + + Η Η

Κ

⇒ [H2CΟ *]3 =C T [ 1 1 22 ]

] [ ] [

Η

+ Η

Κ + K K -1 (1-21)

Các công thức trên cho phép định lượng phần trăm từng dạng cacbonat có trong

nước Chẳng hạn: Trong nguồn nước biển, giá trị K1 đo được tại 220C và áp suất 1atm

là 4.10-7, lớn hơn bốn bậc so với giá trị K2 (4,2.10-11) Bởi vậy, sự phân ly của axít

cacbonic chỉ yếu là phân ly bậc một Khi đó:

] [

*]

[ ] [

3

3 2 1

HC

C H K

Điều này cho thấy nồng độ ion [H+] phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ bicacbonat

[HCO3-], theo quan hệ tỷ lệ nghịch

Nếu nguồn chính tạo ra ion HCO3- là do phân ly của các muối Ca(HCO3)2,

Mg(HCO3)2,…khi đó làm tăng nồng độ HCO3-, như thế làm giảm nồng độ H+, tức là

tăng pH Giả sử trong dung dịch chứa một lượng đáng kể ion Ca2+:

HCO3- ⇔ H+ + CO3

2-−

− +

−

− +

Ο

Ο Η Η

Ο Η

Ο Η

Κ

=

⇒

= Κ

2 3

3

2

2 2

a

a a

2

Ca C

C

T a

a a T

−

Ο Η Η

Κ

= Κ

=

3 2 2

3

.

C

a a T

a T

a a

T

Nhiệt độ và áp suất thủy tĩnh có ảnh hưởng đáng kể đến pH của nước Nếu nhiệt

độ (hoặc cả áp suất) tăng thì hằng số phân ly của H2CO3 và H2O tăng lên, dẫn đến pH

tăng Nếu nhiệt độ tăng thì độ hòa tan của khí CO2 trong nước lại giảm, khi đó pH

tăng

Ở 250C, hằng số phân ly axít H2CO3, HCO3-:

3 2

3

][

]][

=Ο

Η

ΟΗΗ

=Κ

][

]][

−

− +

=ΟΗ

ΟΗ

=Κ

C C

⇒

][

][

][

3

3 2

+

ΟΗ

ΟΗ

=Κ

] [

] [

2 3

3

− +

Ο

Ο Η

= Κ

Η

C C

(1-23)

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

(K1*, K2*: hằng số nồng độ biến đổi theo độ muối)

Từ biểu thức trên cho thấy: K1, K2 là hằng số, tỷ lệ với nồng độ hệ cacbonat phụ

thuộc vào nồng độ ion H+, tức là phụ thuộc vào pH nước

- Trong khoảng pH thường gặp trong thềm lục địa (4,35 <pH≤ 8,3), hệ cacbonat chủ yếu tồn tại hai dạng H2CO3 và HCO3-

- Dạng không phân ly H2CO3 chiếm chính trong hệ cacbonat khi pH thấp

- Khi nước có pH ~ 8,3 bắt đầu xuất hiện CO32-

Như vậy, [H2CO3], [ HCO3-], [CO32-] có mối tương quan tỷ lệ với nhau

1.2.4 Các ion chủ yếu có trong nước thiên nhiên

Ngày nay, ion Cl- trong nước mặt (trên lục địa) còn có nguồn gốc từ hoạt động nhân sinh, nhưng đáng kể nhất là từ nước thải công nghiệp chứa lượng lớn clo, được thải vào các vực nước tự nhiên có thể làm tăng độ khoáng hóa, làm biến đổi kiểu hóa học của nước, do đó làm suy giảm chất lượng, ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái của vực nước, đặc biệt là các vực nước tĩnh như hồ, đầm,…

Nguồn gốc chính tạo nên ion Cl- trong nước tự nhiên do các nguyên nhân sau:

- Độ hòa tan các muối clorua rất cao, cao hơn tất cả các muối khác

- Hoạt động của sinh vật, đặc biệt là hoạt động của con người là nguồn lớn cung cấp

Cl- cho các loại nước tự nhiên

- Trong nham trầm tích cũng có nhiều ion Cl-, lượng ion Cl- cũng tham gia vòng tuần hoàn của Cl- trong tự nhiên

- Do các quá trình phong hóa các dung nham

- Một phần lớn clo trong nước do dung nham của núi lửa phun ra cung cấp

b Ion SO 4 2-

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion SO42- từ khí H2S Khi trong khí quyển xuất hiện oxy, H2S dần bị oxy hóa thành axít sunfuric và nước tự nhiên cũng bắt đầu chứa ion SO42-

Nguồn gốc chính tạo nên ion SO42-:

- Trong nham trầm tích có chứa thạch cao CaSO4.2H2O, khoáng vật sunfua

- Oxy hóa lưu huỳnh trong tự nhiên

- Oxy hóa các hợp chất sunfua có trong dung nham, đặc biệt là các dung nham của núi lửa

- Hoạt động của con người mà chủ yếu là ngành công nghiệp

- Do quá trình phân giải xác động thực vật

Hàm lượng trung bình SO42- trong nước đại dương chiếm 9,28% trong tổng hàm lượng các anion (tính theo mđl/kg) Hàm lượng của ion SO42- tuy ít nhưng ở đâu cũng

có Trong các hồ nước ngọt hàm lượng SO42- cao hơn trong nước sông Trong nước biển, hàm lượng SO42- giảm dần theo độ sâu

c Ion kim loại kiềm (chủ yếu là K + , Na + )

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion kim loại kiềm K+, Na+ hòa tan trong nước là

từ sự phong hóa, hòa tan các đá macma trên bề mặt Trái Đất

Trong nước tự nhiên, hàm lượng ion Na+ thường lớn hơn ion K+ vì ion K+ tham gia vào chu trình thực vật mạnh hơn, mặt khác, trong môi trường nước, ion K+ còn phản ứng với axít silixic hòa tan và các thành phần khác hình thành các khoáng thứ sinh như đất sét,…

Trong nước đại dương, ion Na+ có hàm lượng lớn nhất trong các cation, còn ion

K+ có hàm lượng nhỏ nhất trong các cation Các ion còn lại có hàm lượng rất ít Chẳng hạn, trong nước biển hàm lượng Rb khoảng 0,2 mg/l; Li chỉ khoảng 0,1 mg/l

Hàm lượng trung bình trong nước đại dương: Na+: chiếm 77,34% tổng các cation (tính theo mđl/kg), ion K+ chỉ chiếm 1,64%

Ion Na+ đặc trưng cho nước có độ khoáng hóa cao Khi hàm lượng Na+ đạt vài g/l thì nó là ion chủ yếu có trong nước

d Các ion Ca 2+ , Mg 2+

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion Ca2+, Mg2+ trong nước thiên nhiên là từ sự phong hóa hóa học các loại đá và khoáng vật trên bề mặt Trái Đất bởi nước mưa, nước ngầm,… (chứa axít cacbonic và các axít khác):

MCO3 + CO2 + H2O ⇔ M2+ + 2HCO3

-f Hợp chất sunfua

Trong nước thiên nhiên, các hợp chất sunfua có thể tồn tại thể khí H2S hòa tan, dạng HS-, S2- của axít H2S và của các muối của hai dạng đó Sự điện ly của H2S:

H2S ⇔ H+ + HS- 7

2

1 0,91.10

][

]][

Η

ΗΗ

=Κ

S S

2

][

]][

−

− +

=Η

Η

=Κ

S S

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

a Các nguyên tố vi lượng trong nước thiên nhiên

Các thành phần vi lượng trong nước là những thành phần tồn tại với hàm lượng < 1mg/L, tức là thuộc cỡ hàm lượng phần triệu, phần tỷ (ppm ⇔ mg/L, ppb ⇔ μg/L) hoặc nhỏ hơn nữa Các thành phần vi lượng được tính hàm lượng ở cả hai dạng: dạng hòa tan (bao gồm cả khí hòa tan) và dạng lơ lửng

Có thể chia thành phần vi lượng trong nước thành hai nhóm sau:

- Các thành phần vô cơ vi lượng: Hg, As, Se, Cd, Pb, Cu, Zn,,…, Br, I, F, xianua,

sunfua,… tồn tại trong nước ở nhiều dạng như cation, anion, phức vô cơ, phức hữu cơ, khí (dạng hòa tan); ion hấp phụ vào các chất lơ lửng và chất keo trong nước, các vi kết tủa của các khoáng thứ sinh được hình thành trong nước (dạng lơ lửng và dạng keo)

- Các thành phần hữu cơ vi lượng: phenol và dẫn xuất, thuốc bảo vệ thực vật, chất

tẩy rửa, dầu, mỡ,…

Các nguyên tố thuộc nhóm halogen (trừ clo), là nguyên tố vi lượng có trong nước thiên nhiên Chúng có tác dụng rất lớn trong quá trình sống của sinh vật Ví dụ như flo, nếu không có flo hoặc có quá nhiều flo (> 1,5 mg/l) đều gây các bệnh về răng Nếu thiếu iốt gây các bệnh nội tiết…

Các nguyên tố thuộc nhóm kim loại nặng (Cu, Ni, Co, Pb, Hg, Cd …) có rất ít trong nước thiên nhiên

Nguyên tố phóng xạ có tính cao nhất trong nước thiên nhiên Hàm lượng của chúng rất nhỏ nhưng lại rất dễ nhận thấy Các nguyên tố phóng xạ thường có trong nước thiên nhiên là Radon và Radi

Tùy theo hàm lượng và dạng tồn tại của các thành phần vô cơ, hữu cơ vi lượng trong nước có thể là yếu tố có lợi hoặc gây nguy hiểm cho sự sống của sinh vật và con người

b Chất hữu cơ trong nước thiên nhiên

Trong nước thiên nhiên tồn tại các chất hữu cơ có thể chia làm hai loại

- Loại 1: Bao gồm các chất hữu cơ đã cấu tạo nên cơ thể các loại sinh vật sống trong

nước như các loại động vật, thực vật sống trong nước

- Loại 2: Bao gồm các chất hữu cơ do sinh vật thải ra trong quá trình sống của chúng

hoặc trong quá trình phân giải các chất hữu cơ từ cơ thể các sinh vật sau khi chết

Các chất hữu cơ thường có thành phần rất phức tạp Ngoài các nguyên tố chính như cacbon, hyđro, oxy còn có nhiều loại nguyên tố khác như N, P, K, Ca, Fe, Na, … Tất cả những chất này đều có thể là nguồn cung cấp các chất cho nước thiên nhiên Hàm lượng và mức độ khoáng hòa chất hữu cơ trong nước được xác định và đánh giá bởi hàng loạt các thông số sau:

- Các thông số biểu thị gián tiếp: oxy hoà tan (DO) và độ bão hòa oxy; nhu cầu oxy

hóa học (COD); nhu cầu oxy sinh hóa (BOD); tỷ số COD/BOD; sự tiêu thụ thuốc tím (độ oxy hóa); hàm lượng các ion nitơ vô cơ; hàm lượng phophat hoà tan,…

- Các thông số biểu thị trực tiếp: tổng cacbon hữu cơ (TOC - total organic carbon),

cacbon hữu cơ hòa tan (DOC - dissolved organic carbon); nitơ hữu cơ; photpho hữu cơ,…

1.3 Hóa học nước sông

1.3.1 Đặc điểm chung

Thành phần hóa học của nước sông được quyết định bởi đặc tính vốn có của con

sông ấy Đặc tính ấy bao gồm các yếu tố sau: Nguồn nước cung cấp, cấu tạo địa chất,

khí tượng, thuỷ văn, khí hậu, tốc độ dòng chảy,…

Bảng 13 Thành phần hoá học trung bình của nước sông hồ

Độ khoáng hóa của nước sông thường nhỏ hơn các loại nguồn nước khác vì nước

sông tiếp xúc với các tầng nham thạch trong thời gian rất ngắn do nước sông luôn

chuyển động, khả năng hòa tan các chất rất thấp

1.3.2 Động thái của các ion chủ yếu nhất

Dựa vào độ khoáng hóa của sông, người ta chia sông làm 4 cấp:

- Sông cấp I có độ khoáng hóa rất thấp: < 200 mg/l

- Sông cấp II có độ khoáng hóa trung bình: 200 ÷ 500 mg/l

- Sông cấp III có độ khoáng hóa cao: 200 ÷ 500 mg/l

- Sông cấp IV có độ khoáng hóa rất cao: > 1000 mg/l

Hầu hết nước các con sông trên trái đất đều là sông cấp I hoặc cấp II

Có hai nguồn cung cấp nước cho sông là nguồn nước trên mặt đất (nước mưa, nước

tuyết và băng) và nguồn nước ngầm (nước trong tầng đất bồi, nước trong tầng ngầm)

Khí hậu có ảnh hưởng rất lớn tới nguồn cung cấp nước cho sông, làm cho lượng

nước cung cấp cho sông thay đổi, thành phần hóa học của các nguồn nước cung cấp

cho sông thay đổi và do đó làm cho thành phần hóa học của nước sông cũng thay đổi

Như vậy, mỗi con sông đều có động thái thủy hóa đặc thù

Nhìn chung đối với các con sông có độ khoáng hóa trung bình và thấp, khi độ khoáng

hóa tăng lên thì hàm lượng các ion cũng tăng lên tương ứng, đặc biệt là hàm lượng Cl- và

HCO3- tăng rất nhanh Đối với các con sông có độ khoáng hoá cao, khi độ khoáng hóa tăng

lên thì hàm lượng các ion cũng tăng theo, nhưng đặc biệt hàm lượng HCO3- giảm

1.3.3 Động thái của các hợp chất hữu cơ

Các chất hữu cơ trong nước sông tồn tại dưới dạng trạng thái các chất mục nát bị

xối từ đất và đầm lầy chảy vào sông và các sản vật được phân giải từ các chất hữu cơ

tạo ra

a Độ oxy hóa của nước (COD - Chemical Oxygen Demand)

Để xác định hàm lượng của các chất hữu cơ tồn tại trong nước người ta dùng đại lượng chỉ độ oxy hóa của nước, viết tắt là COD

Độ oxy hóa của nước là số miligam oxy cần thiết để oxy hoá hết các chất hữu cơ

có trong 1 lít nước Như vậy qua lượng oxy cần dùng có thể tính ra hàm lượng các hợp chất hữu cơ có trong nước

b Phân loại nước sông

Dựa vào độ oxy hoá người ta chia nước sông ra các loại:

- Nước sông có COD rất thấp: COD ≤ 2 mg/l

- Nước sông có COD thấp: COD = 2 ÷ 5 mg/l

- Nước sông có COD trung bình: COD = 5 ÷ 10 mg/l

- Nước sông có COD hơi cao: COD = 10 ÷ 20 mg/l

- Nước sông có COD cao: COD = 20 ÷ 30 mg/l

- Nước sông có COD rất cao: COD > 30 mg/l

1.3.4 Động thái của các chất khí hòa tan và của ion H +

a Động thái của các chất khí hòa tan

Hàm lượng của các chất khí hòa tan vào nước phụ thuộc vào các yếu tố:

- Bản chất của chất khí;

- Nhiệt độ của nước;

- Cường độ của các quá trình quang hợp trong nước;

- Thành phần của nguồn nước bổ sung cho sông;

- Áp suất riêng phần của các khí trên bề mặt nước

Thông thường hàm lượng oxy trong nước sông không vượt quá 15 mg/l và hàm lượng CO2 không quá 30 mg/l

* Khí oxy:

Hàm lượng oxy trong nước sông phụ thuộc vào nhiều yếu tố

Nhìn chung về mùa hạ, hàm lượng oxy trong nước sông vào khoảng 6 ÷ 8 mg/l vì nhiệt độ cao; về mùa đông, thì khoảng 8 ÷ 12 mg/l vì nhiệt độ của nước thấp Hàm lượng này còn phụ thuộc vào nguồn sinh vật sống trong nước và khí hậu của khu vực sông chảy qua

* Khí CO 2 :

Động thái của khí CO2 trong nước sông tương tự động thái của oxy

Về mùa đông hàm lượng CO2 cao vì sinh vật trong nước ít hoạt động nên lượng

CO2 tiêu thụ ít, đồng thời nguồn nước chính cung cấp cho sông về mùa đông là nước ngầm thường có nhiều CO2

Về mùa hạ, nhiệt độ cao, hoạt động của các vi sinh vật nhiều nên hàm lượng của

CO2 giảm nhiều, chỉ vào khoảng 1 - 3 mg/l Thậm chí có lúc không còn CO2 trong nước, nên vi sinh vật phải lấy CO2 trong không khí

b Động thái của ion H +

Hàm lượng ion H+ trong nước sông phụ thuộc nhiều vào mùa vụ

- Giá trị pH của hầu hết các con sông trong mùa đông từ 6,8 - 7,8 còn trong mùa hạ cao hơn, từ 7,8 - 8,8

- Các con sông được bổ sung bằng nguồn nước của các đầm lầy thì thường có pH thấp (pH < 6) Các con sông ở khu vực nhiệt đới về mùa hạ độ pH có thể tăng lên tới 9

1.4 Hóa học nước ngầm

1.4.1 Đặc điểm chung

Nước ngầm tiếp xúc trực tiếp và hoàn toàn với đất và nham thạch: nước ngầm có thể là các màng mỏng bao phủ các phần từ nhỏ bé của đất, nham thạch; là chất lỏng được chứa đầy trong các ống mao dẫn nhỏ bé giữa các hạt đất, đá; nước ngầm có thể tạo ra các tia nước nhỏ trong các tầng ngấm nước

Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào cấu trúc địa tầng mà nước thấm qua Do vậy nước chảy qua các tầng địa tầng chứa cát hoặc granit thường có tính axit và chứa ít chất khoáng Khi chảy qua địa tầng chứa đá vôi thì nước thường có độ cứng và độ kiềm

hydrocacbonat khá cao Ngoài ra, các đặc trưng chung của nước ngầm là:

- Độ đục thấp

- Nhiệt độ và thành phần hoá học tương đối ổn định

- Không có oxy, nhưng có thể chứa nhiều khí H2S, CO2,…

- Chứa nhiều chất khoáng hoà tan, chủ yếu là sắt, mangan, canxi, magie, flo

- Không có sự hiện diện của vi sinh vật

Nước ngầm cũng được chia thành các tầng, lớp khác nhau và thành phần hóa học của các tầng lớp đó cũng khác nhau

Ảnh hưởng của khí hậu đối với nước ngầm không đồng đều

Thành phần của nước ngầm không những chịu ảnh hưởng về thành phần hóa học của tầng nham thạch chứa nó mà còn phụ thuộc vào tính chất vật lý của các tầng nham thạch đó

Nước ngầm ít chịu ảnh hưởng của sinh vật nhưng chịu ảnh hưởng nhiều của vi sinh vật Ở tầng sâu do không có oxy và ánh sáng nên vi sinh vật yếm khí hoạt động mạnh, chi phối nhiều đến thành phần hóa học của nước ngầm Vì vậy thành phần hóa học của nước ngầm chứa nhiều chất có nguồn gốc vi sinh vật

Nước ngầm không có oxy Khi độ pH < 5,5, trong nước ngầm thường chứa nhiều khí CO2 Đây là khí có tính ăn mòn kim loại và ngăn cản việc tăng pH của nước Thường nước ngầm có nồng độ khí CO2 khoảng 30 - 50 mg/l, nhiều nơi nước ngầm mạch sâu (200 – 300 m) nồng độ CO2 có thể lên đến 320 mg/l Các biện pháp làm thoáng có thể đuổi khí CO2, đồng thời thu nhận oxy hỗ trợ cho các quá trình khử sắt và mangan Ngoài ra, trong nước ngầm có thể chứa khí H2S có hàm lượng đến vài chục mg/l Đây là sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ có trong nước

1.4.2 Sự phân tầng của nước ngầm

a Nước tầng trên

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

Thành phần hóa học của nước tầng trên phụ thuộc vào: thành phần hóa học của nguồn nước mặt, thành phần hóa học của lớp tầng đất chứa nó, khí hậu, thời tiết…

Do sự bay hơi của nước mặt đất, nước ngầm ở tầng trên có thể theo các mao dẫn lên gần hoặc thậm chí lên tới mặt đất mang theo nhiều muối khoáng, khi nước bay hơi

để lại phần muối khoáng này cho đất Đây là một trong những yếu tố quan trọng làm cho đất khô hạn biến thành đất chua mặn

b Nước tầng giữa

Nước tầng này nằm ở bên dưới mặt gốc xâm thực, phụ thuộc chặt chẽ vào mức

độ bộc lộ về địa chất thuỷ văn

Nước từ trên đất thấm xuống tới tầng nước ngầm này thường rất chậm, đặc biệt

là với tầng nham thạch ít thấm nước Vì vậy, nước tầng này là nước chậm giao lưu Trong tầng này, thành phần nguyên thuỷ của nước ban đầu bị thay đổi nhiều do nước

và nham thạch tác dụng mật thiết với nhau hoặc do sự trộn lẫn các nguồn nước khác

c Nước tầng dưới

Nước tầng này cách biệt hoàn toàn với mặt đất và hầu như không giao lưu Có nhiều giả thiết khác nhau về nguồn gốc của tầng nước này:

- Do nước ở tầng trên thấm xuống

- Do nước biển thấm vào mà có

- Do nước từ rất lâu bị chôn vùi bởi các tầng nham thạch hình thành mà có

- Do dưới áp lực rất lớn mà nước trong các nham thạch hay bùn tách ra mà có…

1.4.3 Nước khoáng và nước có thành phần đặc biệt

310oK), nước nóng (nhiệt độ của nước > 315oK)

nước ngầm ở sâu dưới đất, cũng có thể xảy ra trong nham thạch trầm tích ở lớp trên cùng do hoạt động của núi lửa cung cấp

1.5 Hóa học nước biển

lệ về những thành phần chính thì hầu như không đổi

Diễn đạt theo ngôn ngữ hóa học thì “nước biển là dung dịch của 0,5 mol NaCl, 0,05 mol MgSO4 và vi lượng của tất cả các nguyên tố có mặt trong toàn cầu”

1.5.2 Các ion chủ yếu có trong nước biển

Độ khoáng hoá của nước biển hoàn toàn phụ thuộc vào lượng các ion chủ yếu có trong nước biển

Trong nước biển Na+, Cl-, Mg2+ chiếm 90%; K+, Ca2+, SO42- chiếm 3%; các chất còn lại chiếm 7% tổng lượng các chất

Bảng 14 Các thành phần chủ yếu của nước biển

STT Chất Hàm lượng trung bình (mg/l) STT Chất Hàm lượng trung bình (mg/l)

Hàm lượng các ion chủ yếu có trong nước biển có một thứ tự xác định Có khoảng 11 thành phần ion chính - chiếm khoảng 99,99% tổng hàm lượng các chất khoáng hòa tan

- Về anion: Cl- (55,04%)> SO42-(7,68%) > HCO3- + CO32-

- Về cation: Na+ (30,61%) > K+ > Mg2+ (3,69%) > Ca2+

Bảng 15 Hàm lượng các nguyên tố vi lượng hòa tan trong nước biển

tồn tại dưới dạng các hợp chất khác nhau:

-Cu -CuCO3, Cu(CO3)22-, Cu(OH)+ F F

2-, NaHPO4, MgHPO4, PO43-

Độ kiềm: Là tổng nồng độ anion của các axít yếu có mặt trong nước biển Trong

các loại ion chủ yếu của nước biển thì HCO3- và CO32- của axít cacbonic (H2CO3) và

H2BO3- của axít boric (H3BO3) bởi chúng có hàm lượng lớn nhất Các anion khác có hàm lượng không đáng kể nên thường bị bỏ qua, chỉ được tính đến trong một số trường hợp cần thiết

Ở những vùng cửa sông hệ số kiềm (=độ kiềm/độ muối) thường rất cao (khoảng 760), ở đại dương (khoảng 660 - 680), ở khu vực các nguồn nước lục địa đổ ra biển càng nhiều thì hệ số kiềm càng tăng (có thể lên đến 1000)

1.5.3 Độ mặn (độ muối) của nước biển

Độ mặn của nước biển là đại lượng đặc trưng định lượng cho lượng các chất

khoáng rắn hòa tan (các muối) trong nước biển

Độ muối của nước biển có thể biến đổi trong những giới hạn khá rộng, nhưng tỷ

lệ khối lượng giữa các thành phần chính của nó hầu như không đổi ở mọi vùng biển trên thế giới, trừ các vùng cửa sông, đầm phá, vũng vịnh kín và các biển kém trao đổi với đại dương Điều này đã được Marxet (phát hiện năm 1819) và Ditmar (khẳng định năm 1876) trên cơ sở nghiên cứu thành phần muối nước biển ở nhiều vùng trên thế

giới và đã tổng kết thành quy luật cơ bản:

Trong nước đại dương xa bờ, tỷ số giữa nồng độ của các ion chính luôn không đổi, không phụ thuộc vào trị số tuyệt đối của độ muối

Từ quy luật này có thể xác định chính xác hàm lượng của một loại ion nào đó, rồi bằng tính toán đơn giản mối liên hệ đã biết thì dễ dàng suy ra hàm lượng của các ion khác và do vậy có thể xác định được độ mặn của nước biển Ion Cl- được chọn cho mục đích này vì sự có mặt của nó trong nước biển với nồng độ lớn nhất

Nồng độ trung bình của Cl- trong nước bề mặt đại dương là 19,3534 g/kg

Trên cơ sở các nghị quyết của hội nghị quốc tế về hải dương học năm 1889 và

1901 tại Stốckhôm (Thuỵ Điển), M Knudsen và cộng sự đã khẳng định:

Độ muối của nước biển là trọng lượng cặn khô tính bằng gam (cân trong chân

không) của một kilogam nước biển, với điều kiện tất cả các halogen trong đó được thay thế bằng clo tương đương, những muối cacbonat được thay thế bằng oxýt và các chất hữu cơ bị phân hủy hết ở 4800C

Độ clo nước biển là tổng lượng (tính bằng gam sau khi đã quy đổi tương đương

sang clo) của các halogen có trong 1 kg nước biển

Đối với nước đại dương và các biển trao đổi tốt với đại dương, mối quan hệ giữa độ muối (tính bằng g/kg, ký hiệu S‰) và độ clo (tính bằng g/kg, ký hiệu Cl‰) như sau:

S‰ = 0,034 + 1,8050.Cl‰ (1-24) Những năm sau này, một số tác giả còn xây dựng những công thức mới về mối liên hệ giữa tổng nồng độ các ion (tính bằng g/kg, ký hiệu ΣI‰) chẳng hạn:

Lymen và Fleming (1940): ΣI‰ = 0,069 + 1,8112.Cl‰

Kocx (1963): S‰ = 1,80655.Cl‰

Kocx (1966): ΣI‰ = 1,81578.Cl‰ ;

Thực nghiệm chứng tỏ ΣI%o gần với độ muối thực của nước biển hơn giá trị S‰; song sự sai khác của chúng không đáng kể, chỉ vào khoảng ± 0,004 ‰ khi độ muối nước biển nằm trong khoảng 30 - 40‰

Tuy nhiên độ mặn của các đại dương cũng có dao động Sự dao động này phụ thuộc vào quá trình cân bằng của quá trình bốc hơi và ngưng tụ của nước biển Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vị trí địa lý, khí hậu, mùa,… Chẳng hạn ở vùng nhiệt đới có độ mặn S‰ = 35,7 ; ở cực bắc và cực nam S‰ = 34,5

Độ mặn của nước biển còn thay đổi theo độ sâu Người ta nhận thấy rằng từ mặt của đại dương tới độ sâu khoảng 5000m độ mặn dao động trong khoảng từ 34,9 - 36,5

1.6 Phương pháp nghiên cứu hoá nước và yêu cầu sử dụng nước

1.6.1 Bố trí hệ thống trạm đo đạc chất lượng nước

Tùy theo nhu cầu sử dụng nước mà người ta bố trí các trạm đo đạc chất lượng nước Việc bố trí vị trí và số lượng các trạm đo phải làm sao đo đạc được những đặc trưng nhất của chất lượng nguồn nước phục vụ cho các nhu cầu trên và phải theo dõi

sự biến đổi chất lượng các nguồn nước đó để có biện pháp xử lý cần thiết, kịp thời

1.6.2 Phương pháp lấy mẫu nước

a Các loại mẫu nước

Tùy vào mục đích phân tích khác nhau (hoá học, sinh vật, vi sinh vật,…) mà các phương pháp, thiết bị lấy mẫu và cách xử lý mẫu khác nhau

- Mẫu đơn: là loại mẫu gián đoạn, thường được lấy thủ công hay tự động từ nước trên bề mặt, hoặc ở một độ sâu nhất định hoặc ở dưới đáy Mỗi mẫu thường chỉ đại diện cho chất lượng nước ở thời điểm và địa điểm lấy mẫu

- Mẫu gián đoạn (theo thời gian và theo vị trí)

- Mẫu liên tục (lấy ở lưu lượng định trước và lưu lượng thay đổi): Chứa mọi thành phần của nước trong suốt giai đoạn lấy mẫu, loại mẫu này có thể phát hiện được sự thay đổi chất lượng nước

- Mẫu loạt (theo chiều sâu hoặc theo diện tích): Tức là lấy theo độ sâu khác nhau ở cùng một vị trí hoặc ở một vị trí nhất định của một vùng nước ở nhiều vị trí khác nhau

- Mẫu tổ hợp: Tuân thủ với một số mức giới hạn được dựa trên giá trị trung bình của chất lượng nước

Không nên dùng mẫu trộn để xác định hàm lượng của những chỉ tiêu của nước dễ

bị thay đổi như pH, các khí hòa tan

b Một số chỉ dẫn khi lấy mẫu nước

Vị trí lấy mẫu phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu Thời gian và tần suất lấy mẫu phụ thuộc vào mức độ biến động của các chất, có thể theo các thời gian trong ngày Trong ngày nắng, pH của nước có thể tăng, đặc biệt là nước có khả năng đệm thấp do khả năng trao đổi CO2 của thực vật thủy sinh và nồng độ photpho có thể sẽ bị giảm đi Lượng nước cần lấy tối thiểu để đảm bảo cho các phép phân tích, thường 1 - 2 lít Dụng cụ đựng mẫu phải được làm sạch bằng các biện pháp cần thiết như rửa bằng các chất tẩy rửa hoặc dung dịch axít Đối với phân tích vi sinh vật thì dụng cụ đựng mẫu cần phải được vô trùng Ngoài ra vật liệu làm bình chứa mẫu phải trơ về mặt hóa học

và không có khả năng hấp thu các chất có trong mẫu nước

Khi lấy mẫu đối với nguồn nước chảy như sông, suối, thì nên lấy mẫu ở chỗ nước chảy mạnh nhất

Mẫu lấy ở các hồ thiên nhiên, hồ chứa, các ao, đầm, thì nên lấy mẫu ở các vị trí

và độ sâu khác nhau Không nên lấy mẫu trung bình đối với loại mẫu này

Mẫu lấy từ các mạch, các loại giếng, các bể hồ chứa nước nhân tạo thì nên lấy ở những độ sâu cần thiết

Mẫu nước mưa phải lấy vào lúc trời mưa và ghi rõ thời điểm lấy mẫu

Mẫu từ các trạm và các vòi nước sinh hoạt thông thường được lấy trực tiếp tại các ống dẫn nước ra

Mẫu nước thải nên lấy trung bình, trước khi lấy mẫu cần nghiên cứu kỹ yêu cầu, mục đích sử dụng nước và các điều kiện sinh hoạt khác

c Bảo quản và xử lý mẫu nước trước khi phân tích

Trong khoảng thời gian từ lúc lấy mẫu nước đến khi phân tích, hàm lượng của các hợp phần có thể bị thay đổi với mức độ khác nhau

Nhiệt độ và pH của nước là hai đại lượng biến đổi nhanh nhất, vì vậy hai chỉ tiêu này cần được xác định ngay tại nơi lấy mẫu Hàm lượng một số khí cần phải được xác định ngay như: O2, CO2, H2S, Cl2

Đối với việc xác định kim loại nặng trong nước thì cần tuân thủ theo những quy trình nghiêm ngặt để bảo quản mẫu

Việc bảo quản và xử lý mẫu nước trước khi phân tích thành phần của nó phải

tuân theo tiêu chuẩn việt nam TCVN 5993 - 1995 và ISO 5667 - 3 - 1985

Bảo quản mẫu nước là nhằm để giữ gìn các yếu tố, đồng thời duy trì tính chất và

tính trạng mẫu nước trong một khoảng thời gian ngắn trước khi đem phân tích

* Lấy mẫu phân tích chỉ tiêu hóa lý: Trường hợp lấy mẫu phân tích chỉ tiêu hóa lý thì

cần phải nạp mẫu đầy bình sao cho không có không khí ở trên mẫu Điều đó hạn chế

sự tương tác giữa pha lỏng với pha khí và sự lắc khi vận chuyển Các loại bình

polyetylen (PE) thích hợp cho việc lấy mẫu thông thường để xác định các thông số

vật lý, hóa học của nước tự nhiên Bình PE lấy mẫu được rửa sạch và tráng qua nguồn

nước được lấy mẫu 3 lần

* Lấy mẫu phân tích chỉ tiêu vi sinh: Trước khi lấy mẫu nước, các dụng cụ, chai lọ

cần thiết phải được tiệt trùng Dùng chai thủy tinh có nút mài vặn chặt Thể tích chai

là 250ml Rửa sạch chai sau đó sấy khô khử trùng ở 160oC trong thời gian 2 giờ

- Lấy nước tại vòi: Đốt miệng vòi nước cẩn thận bằng bông tẩm cồn với ngọn lửa

to Mở nước, cho chảy thật mạnh trong vòng 1 phút, sau đó vặn nhỏ tia nước để chảy

thêm vài phút, rồi hứng lấy 2/3 chai (trong chai cần có khoảng trống để lắc mẫu trước

khi làm xét nghiệm)

- Lấy nước tại giếng, sông, hồ: Buộc chai lấy mẫu vào dây quăng rồi quăng xuống

giếng, sông, hồ ở độ sâu cách mặt nước 0,5m Sau khi nước vào đầy chai (không còn

bọt khí nổi lên) thì kéo lên, khử trùng miệng chai, đổ bớt nước rồi đậy nắp

Bảng 16 Dụng cụ chứa mẫu, và điều kiện bảo quản mẫu nước

của một số thông số (trong 1 lít mẫu nước)

bảo quản tối đa

Ghi chú: PE: Chai polyethylen; TT: Chai thuỷ tinh

1.6.3 Yêu cầu sử dụng một số nguồn nước

a Nước dùng cho công nghiệp

* Công nghiệp làm giấy:

- Độ đục và độ màu của nước phải thấp để giấy làm ra có độ trắng cao Trong nước không được có chất lơ lửng để mặt giấy nhẵn, không sần

- Hàm lượng sắt trong nước phải thấp để giấy không bị ố vàng theo thời gian

- Độ cứng trong nước phải thấp để giấy dễ dán và không dẫn điện

- Độ pH của nước phải trung bình, nếu quá cao thì khó làm, còn nếu thấp quá giấy

dễ mủn, mục

* Công nghiệp dệt:

- Độ pH = 6,8 ÷ 7,5;

- Hàm lượng sắt < 0,1 mg/l

b Nước dùng cho nông nghiệp

Thông thường nước có độ khoáng hoá trong khoảng 0,8 ÷ 1,0 g/l là nước thích hợp cho nông nghiệp Nếu độ khoáng hóa lên tới 4 g/l là nước chua, mặn không dùng cho nông nghiệp được

* Hệ số tưới K a : theo thực nghiệm phụ thuộc vào hàm lượng các chất trong nước:

- Nếu [Na+] < [Cl-]:

][5

288

−

=Κ

Cl

a

- Nếu [Na+] > [Cl-] và [Na+] < [SO42-] + [Cl-]:

][][

288

− + +

=Κ

Cl Na

a

- Nếu [Na+] > [Cl-] + [SO42-]:

][9][5][10

SO Cl

Na

a

Nồng độ các ion tính theo mđlg/l

Dựa vào K a người ta chia nước sử dụng cho nông nghiệp thành 4 loại:

- Ka > 18: nước rất tốt

- Ka = 18 ÷ 6: nước dùng để tưới được

- Ka = 5,9 1,2 : nước dùng có thể tưới được nhưng không tốt

- Ka < 1,2: không thể tưới được

* Các chất lơ lửng trong nước: thường là các hạt bùn, cát, phù sa,… các chất này có

thể làm cho đất phì nhiêu hoặc có thể làm cho đất chua mặn dần Kích thước các hạt chất lơ lửng trong nước hợp lý là 0,2 ÷ 0,005 mm

* Nhiệt độ: có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của nước tưới Tốt nhất là nước tưới có

nhiệt độ thích hợp cho từng loại cây trồng

* Các yếu tố khác:

- Dùng nước tưới không được lẫn các axít tự do như HCl, H2SO4

- Nồng độ các loại muối: ZnSO4, Na2SO4, Na2CO3, NaCl phải thấp vì nếu hàm lượng của chúng cao sẽ gây keo tụ đất, làm cho đất cứng lại không thích hợp cho cây trồng

- Nước thải đều không thể dùng làm nước tưới

c Nước dùng cho nuôi cá

- Nhu cầu về oxy: Hàm lượng oxy hòa tan trong nước càng cao càng tốt Giới hạn

cho phép hàm lượng oxy hoà tan trong nước (DO) là 3 mg/l Nếu nhỏ hơn thì cá bắt đầu khó thở và nếu DO < 0,5 mg/l thì cá sẽ chết

- Các chất khác: Các thành phần hoá học khác phải có đủ để tạo cho các sinh vật

trong nước phát triển tốt, làm nguồn thức ăn dồi dào cho cá

- Độ pH: thích hợp cho việc nuôi cá từ 7 ÷ 8 Nếu pH < 6 làm giảm tác dụng hô hấp, giảm khả năng hấp thụ thức ăn, cá sẽ chậm lớn

d Nước dùng cho nồi hơi

- Tác dụng làm han gỉ nồi hơi: Nồi hơi bị gỉ chủ yếu là do trong nước có axít và oxy

hòa tan gây ra Nước dùng cho nồi hơi yêu cầu hàm lượng các loại muối cacbonat không quá 15 mg/l và hàm lượng oxy không được quá 0,1 mg/l Đặc biệt với nồi hơi cao áp phải loại trừ hết khí oxy hòa tan

- Tác dụng lắng đọng cặn: Ảnh hưởng của lớp cặn dẫn đến nhiệt độ của nồi hơi

kém, gây lãng phí nhiên liệu đồng thời làm thành nồi hơi có nhiệt độ không đồng nhất

Về bản chất của cặn lắng đọng là do nhiệt độ cao nên các muối canxi, magiê và một số kim loại khác biến thành kết tủa Ví dụ:

Ca(HCO3)2 CaCO t 0 3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 MgCO t 0 3 + CO2 + H2O CaCl2 + MgSO4 = CaSO4 + MgCl2

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl CaSO4 (tan) + Na2SiO3 = CaSiO3 + Na2SO4MgSO4 + Na2SiO3 = MgSiO3 + Na2SO4FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl

2Fe(OH)2 Fe t 0 2O3 + 3H2O

- Tác dụng sủi bọt: khi trong nước có các muối kali, muối natri, xà phòng, dầu mỡ

…, chúng thường làm giảm sức căng bề mặt của nước, dễ tạo ra các bọt khó tan có tác dụng gây ra áp suất không đều trên bề mặt các tuabin hơi, làm giảm tuổi thọ tuabin

e Nước dùng cho bê tông

Tác dụng của nước đối với bê tông chủ yếu là quá trình các chất trong nước tác dụng với các chất có trong bê tông làm cho bê tông bị phá huỷ dần Tính xâm thực của nước có thể chia làm 5 loại:

- Xâm thực của CO 2 hoà tan: Lượng CO2 dư sẽ hoà tan các muối cacbonat trong bê tông làm cho bề mặt bê tông bị phá hủy dần

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2MgCO3 + CO2 + H2O = Mg(HCO3)2

- Xâm thực do khử kiềm: Khi hàm lượng [HCO3-] < 131 mg/l thì sẽ xảy ra hiện tượng các muối cacbonat và Ca(OH)2 trong bê tông tan ra cũng làm cho công trình bị phá hủy

- Xâm thực của các loại axít: khi nước có độ pH thấp Sự xâm thực của axít chủ yếu

là quá trình hoà tan các muối cacbonat trong bê tông làm cho bê tông bị phá hủy dần

- Xâm thực của các loại muối sunfat: Khi hàm lượng SO42- trong nước cao thì SO4

2-cùng với nước thấm vào bê tông để tạo ra CaSO4.2H2O Muối này có hệ số giãn nở cao làm cho bê tông bị rạn nứt

- Xâm thực của muối magiê: tương tự SO42-

f Nước dùng cho sinh hoạt

Nước dùng cho sinh hoạt của con người là nước đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sau:

- Nước không có thành phần độc hại: đó là các ion kim loại nặng, các chất khác như

H2S, NH4+, NO2-, và các chất hữu cơ

- Độ khoáng hoá của nước phải thấp: Độ cứng của nước thích hợp với đời sống là

20H0 (0H), trường hợp cá biệt không được vượt quá 40H0 Vì rằng nước có độ cứng cao hay độ khoáng hoá cao sẽ có nhiều tác hại cho đời sống

Đơn vị đo: - Độ Đức (oH): 1oH = 10mg CaO/l nước

- Tính chất vật lý của nước phải tốt: không có mùi, vị khó chịu, phải không có màu

sắc và trong suốt

Chương 2: HÓA HỌC PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG

Ví dụ: Muốn xác định nồng độ dung dịch NaOH ta lấy V thể tích dung dịch NaOH cho

tác dụng với dung dịch HCl đã biết nồng độ Gọi V’ là thể tích dung dịch HCl vừa dùng hết, khi đó:

V NNaOH = V’ NHCl (2-1)

- Dung dịch tiêu chuẩn: là dung dịch đã biết chính xác nồng độ của nó

- Dung dịch chuẩn độ: là dung dịch chưa biết nồng độ Ta dùng dung dịch tiêu

chuẩn để xác định nó

- Điểm tương đương: là điểm khi dung dịch tiêu chuẩn và dung dịch chuẩn độ tác

dụng vừa đủ với nhau Người ta xác định điểm tương đương bằng chất chỉ thị màu Trong thực tế điểm dừng chuẩn độ có thể không trùng với điểm tương đương và điều

đó gây ra yếu tố sai số chuẩn độ

b Các phương pháp phân tích thể tích

Điều kiện phân tích:

- Các phản ứng phải xảy ra hoàn toàn theo một phương trình hóa học xác định

- Tốc độ phản ứng phải nhanh

- Không có phản ứng phụ xảy ra

- Có thể xác định được điểm tương đương

Trong thực tế người ta chia ra làm 4 phương pháp chính:

- Phương pháp trung hòa

- Phương pháp kết tủa

- Phương pháp phức chất

- Phương pháp oxy hoá khử

c Nồng độ dung dịch trong phương pháp phân tích thể tích

Để biểu thị thành phần của một dung dịch, người ta dùng nồng độ dung dịch Vậy nồng độ dung dịch là lượng chất tan có trong một lượng xác định dung dịch hoặc dung môi, lượng chất tan lớn tạo dung dịch đậm đặc, ngược lại là dung dịch loãng

* Nồng độ phần trăm theo khối lượng (%): số gam chất tan trong 100 gam dung dịch:

Ví dụ 2: Ancol etylic 700 nghĩa là trong 100ml dung dịch rượu này cần có 70ml

C2H5OH nguyên chất và 30ml nước

* Nồng độ mol: Số mol chất tan có trong 1 lít dung dịch:

)

(l V

n C

dd

ct

* Nồng độ đương lượng: Một loại nồng độ khác thường được sử dụng để tính toán

trong các phương pháp phân tích thể tích là nồng độ đương lượng được định nghĩa là

số đương lượng gam của chất tan trong một lít dung dịch

V

n

V: thể tích (lít)

n’: số đương lượng gam chất tan có trong dung dịch

Ví dụ 3: Dung dịch HCl 2N: là dung dịch có chứa 2 đương lượng gam hoặc 2×36,5g HCl nguyên chất

Áp dụng định luật đương lượng cho các phản ứng trong dung dịch:

Giả sử phản ứng : A + B → C

Gọi:

NA, NB : nồng độ đương lượng gam của 2 dung dịch A và B

VA VB: thể tích của 2 dung dịch A và B phản ứng vừa đủ với nhau

Theo định luật đương lượng ta có:

NA VA = NB VB (2-5) Đây là biểu thức toán học áp dụng định luật đương lượng cho dung dịch

* Sự liên quan giữa các loại nồng độ

- Sự liên quan giữa các nồng độ phần trăm (C%): Trộn m1 gam dung dịch có C1% với m2 gam dung dịch có C2%, được dung dịch có C%, ta có:

m1.C1 + m2.C2 = (m1 + m2)C (2-6) Nếu pha loãng bằng nước thì coi nồng độ C% của nước bằng 0

- Sự liên quan giữa các nồng độ mol (C M ):

V1.CM1 + V2.CM2 = (V1 + V2)CM (2-7) Nếu pha loãng bằng nước thì coi nồng độ CM của nước bằng 0

- Giữa nồng độ mol và nồng độ phần trăm:

M

dC

M: khối lượng phân tử chất tan

CM: nồng độ mol của dung dịch

d: khối lượng riêng của dung dịch

C%: nồng độ % của dung dịch

- Giữa nồng độ đương lượng và nồng độ phần trăm của dung dịch:

Ví dụ 1 Xác định NNaOH bằng dung dịch tiêu chuẩn HCl

Tại điểm tương đương: VNaOH NNaOH = VHCl NHCl

Ví dụ 2 Để chuẩn hóa dung dịch NaOH, người ta hoà tan 1,2600 gam axít oxalic

H2C2O4.2H2O và nước và thêm nước đến 500,00 ml Chuẩn độ 25 ml dung dịch thu được hết 12,58 ml NaOH Tính [NaOH]

,1

4 2 2

×

O C

H

1000

58,12

C

max

ξ

1000.2

58,12.500

25.00,126

260,

=

58,12.00,500.00,126

1000.00,25.260,1.2]

- Tính theo đương lượng (đlg):

Đ C O H O

2 4 2

2 2

2

00,1262

24 2

[H2C2O4] = 0,04000N

00,500

1000.00,63

2600,1

Nồng độ đương lượng của NaOH = nồng độ mol

Suy ra: V NaOH ×N NaOH =V H2C2O4 ×N H2C2O4

⇔ 12,58 NNaOH = 25,00 0,04000

⇒ NNaOH = 0,07949N = 0,07949M

* Cách chuẩn độ ngược:

Gọi X: là chất cần xác định nồng độ, M là chất đã biết nồng độ, có thể tác dụng với X tạo chất bền

Cho M dư tác dụng với X: M + X → MX

Dùng dung dịch tiêu chuẩn Y để xác định lượng M dư:

V

N V N

= Ν

Ví dụ 3 Để xác định SO42- trong nước ta dùng dung dịch Ba2+ dư đã biết nồng độ cho tác dụng với SO42-

Giải:

Ba2+ + SO42- → BaSO4↓ Sau đó chúng ta dùng dung dịch tiêu chuẩn EDTA chuẩn Ba2+ dư:

Ba2+ + EDTA = Ba ADTA

EDTA EDTA

SO SO

SO

EDTA EDTA

Ba Ba

N V N

V N

* Cách chuẩn độ gián tiếp:

Chất X là chất cần xác định Cho M tác dụng với chất X:

M + X → MX Xác định M trong MX bằng dung dịch tiêu chuẩn Y:

5CaC2O4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 2MnSO4 + K2SO4 + 5CaSO4 + 10CO2↑ + 8H2O