Hóa học nước lâm ngọc thụ, trần thị hồng

THƯ VIỆN ■ĐẠI HỌC NHA TRANG M 551.48 L 120 Th LÂM N G Ọ C THỤ TRẦN THỊ HỒNG LÂM NGỌC THỤ TRẦN THỊ HỒNG HOÁ HỌC NƯỚC TRƯỠN6 ĐẠI HỌC NỊ^ĨKaNG ị T H Ư V ỉỆ N _ _ "_ _ ! \ \ U Ẳ T M' NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI LỜI NÓI ĐẦU Trên h n h tin h ch ú n g ta củng n h m ột thiên th ể vũ trụ, đ â u có nước có sơng Nước yếu t ố kh ô n g th ể thiếu p h t triển k in h tế, xã hội quốc gia Theo đà p h t triển văn m in h n h â n loại, n h u cầu nước cho sin h hoạt, sản xuất, công, nông nghiệp ngày tăng Điều cần n h ấ n m n h toàn lượng nước cấp cho sin h hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ sau kh i sử d ụ n g trở th n h nước th ải bị ô nhiễm m ức độ khác nhau, cuối thải vào m ôi trường N goài ra, m ấ t rừng, su y g iả m lớp thực vật che p h ủ m ặ t đất, lượng nước ngày d ễ bị m ấ t bốc hạ m ức nước ngầm N h khối lương nước có th ể sử d ụ n g chủ yếu từ sông hồ m ột p h ầ n nước ngầm h n c h ế lại bị cạn kiệt d ầ n khối lượng suy g iả m chất lượng N h ữ n g điều trin h bày đâ y chứng tỏ nước tà i nguyên vô q uý giá người S ự p h t triển bền vững sống n h â n loại cần p h ả i g ắn liền với bảo vệ tài nguyên nước H N ội ngày 24 th n g 12 năm 2005 C c t c g iả Chương M ỏ ĐẨU 1.1 LĨNH v ự c CỦA H O Á N Ư Ĩ C Hố nước liên q u an tới p h ả n ứng hoấ học trìn h ảnh hưởng tới p h â n b ố tu ầ n hoàn (chu kỳ) chất hoấ học nước tự nhiên Mục tiêu hoá nước p h t triển Cơ sở lý thuyết tín h chất hoấ học hệ nước đại dương, nước cửa sông, cửa biển, nước sông, nước hồ, nước ngầm nước đất, đồng thời mơ tả q trìn h tro n g cơng nghệ nước Hố học nước xây dự ng chủ yếu trê n Cơ sở hoá học n hư ng chịu ả n h hưởng khoa học khác, đặc biệt địa chất học sin h học Chủ đề giáo trìn h sử dụng n hữ ng đ ịn h lu ậ t hoá lý để xác định n h ữ n g biến sơ'thích hợp đ ịn h th n h p h ầ n nhữ ng hệ nước tự nhiên H ình n h sin h viên hố khơng hoàn toàn n h ậ n thức rằng, nắm nhữ ng đ ịn h lu ậ t hoá lý không p hải để ứng dụng tro n g phịng th í nghiệm hố học m cịn để điều chỉnh hướng n hữ ng p h ản ứng xẩy tự nhiên T rong chu trìn h th ủ y học, nước liên tục tương tác vối trá i đất N hững biến đổi tích lũy địa ch ất đ ạt nhờ nhữ ng trìn h thời tiêt, sụ t lở đất, tạo th n h đ ấ t trầ m tích N hững q trìn h hoàn th n h trọn vẹn tro n g th iên n h iê n trê n quy mô lớn giống nối tiếp n h ữ n g động tác riêng biệt thự c tro n g phép p h ân tích hố học N hững q trìn h sở hoà ta n k ế t tủ a, oxi hoá khử, ax it - bazơ hoá tương tác tạo phức giông nh tro n g tự n h iên phịng th í nghiệm N ăm 1965 Sillen p h t triển hệ k h í - đại dương trá i đ ất đến tầm vĩ mơ, đó, phép chuẩn cặp ax it - bazơ oxi hoá khử ax it bay từ bên trá i đ ấ t chu ẩn b ằn g bazơ đá, ch ất khử bay chuẩn oxi sinh tro n g hệ k h í sinh T rong k h i giáo trìn h nghiên cứu số đề m ục tư ơng tự n hư đề mục hoá p h â n tích cơ' gắng b àn lu ận cấp độ không gian thồi gian n h ữ n g p h ản ứng tự nhiên n h n h ữ n g khác biệt rấ t rõ ràn g chúng với n h ữ n g p h ản ứng phòng th í nghiệm Ví dụ n hư hóa p h ân tích, n h ữ n g k ết tủ a (thường n h ữ n g hợp ch ất m êta bền hoạt tính) tạo th n h từ n h ữ n g dung dịch bão hoà m ạnh, kim loại tro n g hệ nước tự n h iê n p h a rắ n thường tạo th n h ỏ điều kiện bão hoà nhẹ; thường tin h th ể lớn lên già có th ể tiếp tục trả i q u a m ột thời gian địa chất H iện tượng xen m ặt đặc biệt q u an trọ n g q u a q trìn h hóa học thường xẩy tạ i pha khơng tiếp tục KHÍ QUN k h i' lãn b u i c h ấ t ian Hình 1.1 Những mơi trường nước tự nhiên hoá nước quan tâm Hệ nước tự n h iê n chứa bao gồm r ấ t nhiều tậ p hợp vô thường xen vào m ột p h a k h í cho p h a nưóc; chúng h ầu n h thư ng xuyên sinh p h ần sin h Vì mơi trường nước tự n h iê n k h phức tạp, gặp phịng th í nghiệm Để lựa chọn n hữ ng biến sơ" th ích hợp r ấ t có lợi cho so sá n h hệ lý tưởng với h ệ lý tưởng hố M Ơ HÌNH Để giải q uyết v ấn đề phức tạ p hệ nước tự n h iên ch ú n g ta sử dụng nhữ ng mơ h ìn h đơn giản hố có th ể thực để m in h họa yếu tố cần điều ch ỉn h chủ yếu phục vụ kiểm tr a th n h p h ầ n hoá học nước tự nhiên Nói chung n hữ ng mơ h ìn h p hải liên k ết th n h p h ần nưdc với th n h p h ần k h í trầm tích M ột mơ h ìn h không cần th iế t phải thực đến trọ n vẹn để trở th n h dùng Một mơ h ìn h có ích dẫn tới khái q u át hố có hiệu k h ả n ăn g hiểu sâu sắc b ản ch ấ t q trìn h hóa học nước n â n g cao k h ả n ăn g mô tả đ án h giá hệ nước tự nhiên N hững mơ h ìn h n h ữ n g đơn giản hoá thực tê phức tạ p nhiều Trong đơn giản hoá ch ú n g ta cố gắng hướng tới k h niệm hoá học Theo câu nói b ất hủ A lbert E in stein "mọi v ật làm đơn giản đến mức có th ể n hư ng khơng p h ải đơn giản hóa cách tầm thường" Dường n h cân hoá học giúp đỡ có hiệu n h ấ t cho quan điểm mơ hình, đầu tiê n làm dễ dàng cho n h ậ n biết n h ữ n g biến số’ chìa khố liên quan đến xác đ ịn h mối q u an hệ vô - nưốc môi q u an hệ k h í - nưốc cách th iế t lập đường giới h n môi trư ờng nước N ăng lượng tự (mol) (phân tử) Gibbs (hố thế) mơ tả trạ n g th i n h iệ t động bền, đặc trư n g cho hướng mức độ q u trìn h đ ạt tới cân N hững m âu th u ẫ n cân tổng hợp dự đoán số liệu hệ thực cho ta k h ả n ăn g hiểu sâu sắc n hữ ng trường hợp p h ản ứ ng hoá học quan trọng không đồng n h ấ t tro n g nhữ ng điều kiện khơng cân chiếm ưu th ế n h ữ n g kiện p h ân tích hệ khơng đủ xác đặc trưng Mỗi m âu th u ẫ n kích th ích nghiên cứu hồn th iệ n mơ h ìn h hữu B ằng cách so sá n h n h ữ n g hợp p h ần th ậ t nưốc biển (trầm tích + biển + khơng khí) với m ột mơ h ìn h n h ữ n g cấu tử liên q u an (các ch ất vô cơ, ch ất hơi) cho phép đ t tối cân th ậ t, Sillen (1961) m ẫu mực cho việc ứng dụ n g n h ữ n g mô h ìn h cân để phác th ảo n h ữ n g n ét quan trọng n h ấ t n h ữ n g hợp p h ần hố học h ệ Sự p h ân tích ơng rõ rằng, tr i vói q u an điểm tru y ền thống, pH đại dương đệm chủ yếu hệ cacbonat ; nhữ ng k ết ông cho phép đề nghị rằng, cân b ằn g dị th ể silicat vô bao gồm hệ đệm pH chủ yếu nưốc đại dương Tiếp cận cung cấp sở định lượng cho đề nghị F o rchham m er 100 năm trước rằng, lượng nguyên tô' tro n g nước biển không tỷ lệ th u ậ n vối lượng nguyên tố m nước sông đổ vào biển mà tỷ lệ ngược với dễ d àn g tạo hợp ch ất khó ta n nguyên tố nước biển n h ữ n g tác dụng hoá học chung biển Mặc dù nước nội địa đại diện cho n h ữ n g hệ tạ m thòi m au qua so với biển, n h ữ n g mơ h ìn h cân có ích để lý giải n h ữ n g kiện q u an sá t C húng ta có th ể th u sơ' giới h n n h ữ n g chiều hướng biến đổi th n h p h ầ n hoá học n hữ ng hệ động học cao có th ể đốn loại ch ất ta n pha rắ n m m ong đợi N hững mô h ìn h n h iệ t động nhiều loại hệ tro n g to àn hệ nước tự nhiên m inh họa h ìn h 1.2 Mỗi mơ h ìn h dùn g để đ n h giá điều kiện cân b ằn g toàn cầu, từ n g p h ần từ n g địa phương tương tác nước, khơng k h í trầ m tích T h ật nước tự n h iên n h ữ n g hệ động mở với đ ầu vào đ ầu có khối lượng n ăn g lượng biến đổi, trạ n g th i cân b ằn g cho chúng xây dựng Mơ h ìn h trạ n g th i bền vững p h ản ản h điều k iện thời gian không đổi hệ p h ản ứng có th ể thường xuyên xem n h b ản lý tưởng hóa m ột hệ nước tự n hiên mở K hái niệm n ăn g lượng tự không làm giảm tầm q u an trọ n g tro n g n hữ ng hệ động so vối n h ữ n g h ệ cân Dòng lượng từ th ế n ăn g lượng cao chuyển th ấ p d ẫn tới chu trìn h th ủ y học hoá địa (Mason, 1966; Morowitz, 1968) N guồn n ăn g lượng đại n h ấ t nguồn xạ m ặt trời Khí Dung dịch nước Dung dịch nước a) b) Dung dịch nước Khí Dung dịch nước ' Pha rắn Pha rắn c) d) Dung dịch nước Khí Dung dịch nước Thể rắn a Thể rắn p Thể rắn Y Thể Thể rắn rắn a p Thể rắn Y e) f) Hình 1.2 Mơ hình phần tỷ lệ nhiều loại bao gồm toàn hệ nước tự nhiên: a) mơ hình pha dung dịch nước; b) mơ hình pha dung dịch nước pha khí; c) mơ hình pha dung dịch nước pha rắn ; d) mơ hình pha pha nước, khí, rắn; e) mơ hình pha dung dịch nước cộng với số pha rắn ; f) mơ hình nhiều pha rắn, dung dịch nước pha khí HỆ SINH THÁI T rong nước tự nhiên, sin h v ật môi trường vơ sin h có q u an hệ tương tác với Vì đ ầu vào liên tục n ăn g lượng m ặt trời (quang hợp) r ấ t cần th iết đế trì sông, n hữ ng hệ sinh th i không cân Hệ sinh th i coi n h m ột đơn vị môi trường bao gồm tố chức sinh học để tạo toàn sin h v ật tương tác VỚ I mơi trường hố lý T rong hệ sinh thái, dịng n ăn g lượng có entropy âm p h ản ản h trê n cấu trú c dinh dưỡng đặc trư n g d ẫn tới n h ữ n g chu trìn h v ật ch ất bên hệ (Odum 1969) Trong hệ sin h th i cân bằng, trạ n g th i bền trìn h sản sinh phân hủy ch ất hữ u sản sinh tiêu th ụ trì P h ân bơ c h ấ t hố học nưốc trầm tích chịu ản h hưởng m ạnh tương tác chu trìn h hỗn hợp chu trìn h sinh học (Buftle De Vitre, 1994) N hữ ng phép đo đồng vị phóng xạ thường sử dụng để th iế t lập th a n g thời gian cho số nhữ ng q trìn h M ột cách tương tự, việc đ án h giá n h ữ n g p h â n đoạn n hữ ng đồng vị bền giúp ta lý giải định lượng nhữ ng q trìn h chu trìn h sinh hố mơi trường NHỮNG CHU TRÌNH SINH HỐ Ngày người ta th a n h ậ n rộng rãi rằng, T rái Đ ất hệ sinh địa hố khổng lồ (Schlesinger, 1991) Trong hệ k h í quyển, nước trá i đất n hữ ng hồ k ế t lắng giống h o ạt tín h sinh N hững chu trìn h tồn cầu nưốc, cacbon, nitơ, photpho lưu h u ỳ n h gắn liền với n h au chịu ản h hưởng mức độ hiểu biết h o ạt động người N hững chu trìn h nguyên tô' phụ n hư Hg Pb đ án h giá gây rôl loạn cao tro n g thời gian ngắn N hững chu trìn h sinh địa hoá xảy cấp độ địa phương, vù n g toàn cầu (Bidoglio Stum m , 1994) giải th ích cấp độ nhữ ng chu trìn h trở nên dễ dàng sử dụng k h niệm độ thích hợp cân hợp thứ c (cho nhữ ng p h ản ứng hoàn chỉnh) n h trạ n g th i bền, mơ h ìn h động học (phụ thuộc vào thời gian) Đ Ộ N G HỌ C H iểu biết nhữ ng hệ nước tự n h iên gần bị giới h n r ấ t n h iều th iếu n hữ ng thông tin động học n h ữ n g p h ản ứng chuẩn nước, tro n g trầ m tích, m ặt p h ân cách (m ặt tiếp xúc) Trước hoá học k h í (Seinfeld, 1986) gần tro n g hoá học nước (Brezonik, 1993) nói tới tăn g n h an h n hữ ng thông tin tốc độ chế n h ữ n g p h ả n ứng tru n g tâm hoá học mơi trường K ết giị có k h ả n ăn g tố t để đ án h giá th a n g thời gian đặc trư n g n hữ ng p h ản ứng hố học mơi trường so sán h chúng với ví dụ như, thời gian lưu tr ú (tồn tại) hệ q u an tâm Sơ đồ th a n g thời gian hoá học so với th a n g thời gian ch ấ t lỏng dẫn - - t - - - - t > -6 -3 t I log^hhọc(s) 12 I log Tchất (s) lòng C húng ta m uốn p h ân b iệt nhữ ng p hản ứng n h a n h n h ữ n g p h ản ứng chậm p h án theo th a n g thời gian dòng ch ấ t lỏng (trong hồ, sông tro n g nước ngầm ) N hững p h ản ứng n h a n h mô tả tố t b ằn g mơ h ìn h cân (nhữ ng p h ản ứng th u ậ n nghịch) b ằn g mơ h ìn h hợp thức (những ph ản ứ ng không cân bằng) Sự mơ tả động học (nghĩa phụ thuộc vào thịi gian) cần th iế t có th ể so sánh Thhoc với Tchất lỏng NƯỚC LÀ NGUỒN TÀI NGUN - HỆ DUY TRÌ SỐNG Hố học nước đặc biệt q u an trọng nước nguồn tà i nguyên th iế t yếu cho người C húng ta q u an tâm đến ch ất lượng p h â n bô" nước, khơng quan tâm đến lượng nước nước nguồn tài nguyên r ấ t phong phú trê n T rái Đất Hệ sinh th i có tín h th ích ứng tín h đệm chống lại n h ữ n g biến đổi, h oạt động người ngày có ản h hưởng r ấ t lớn đến nhữ ng chu trìn h hoá học trê n p h ạm vi to àn cầu (Schlesinger, 1991) nhữ ng chu trìn h hoá học th ủ y văn địa phương vùng C h ất lượng nước địa phương, vùng nước ngầm bị xấu người th ả i vào n h ữ n g ch ất độc Để phục hồi nhữ n g hệ địi hịi p h ải có hiểu biết sâu sắc hoá học, sinh học thủy văn Trong phạm vi hoá học, nh ữ n g tiến n h ằm n ân g cao ch ất lượng nước đòi hỏi k ế t hợp hoá lý, hoá vơ cơ, hố hữu hố học m ặt tiếp xúc Bảo vệ môi trư ờng nước không p h ải cách tr n h ả n h hưởng người đến môi trư ờng nước Kiểm tra nhiễm bẩn nước bảo vệ nguồn nước đòi hỏi kỹ th u ậ t xử lý nước th ả i n h iều Ớ đầy th ấ y cần th iế t đ ặt số câu hỏi - Đ ánh giá n h th ế k h ả n ăn g h ấp phụ đại dương ? - C húng ta có th ể làm tă n g độ phì nhiêu đại dương khơng ? - Cân sin h th i quang hợp hoạt tín h hơ h ấp để làm giàu chất dinh dưõng có th ể giúp n h â n loại có nguồn nước tro n g h phù hợp vối sốhg ? 10 Đế tr ả lời n h n g câu hỏi phải hoàn thiện nhiều n h ữ n g kiến thức hoá học nước Khoa học cần p h ải ch u ẩn bị sỏ cho hồ hợp người tự nhiên khơng p h ải g iành ưu "Con gười làm chủ thiên n h iên sức m ạn h m b ằn g hiểu biết" (Bronowski, 1965) 1.2 DUNG M ỒI NƯỚC Nước m ột c h ấ t lỏng có nhiều đặc tính lý thú khác vối n h iều ch ất lỏng khác Nước có điểm sơi n h iệ t hố cao; nưốc đá có điểm chảy nóng chảy r ấ t cao Tỷ trọ n g cực đại nưốc lỏng gần 4°c không p h ải điểm đóng băng nh nưóc nỏ đóng băng Nước có sức căng bề m ặt rấ t cao m ột du n g môi tu y ệt vời cho muối phân tử p h ân cực, nước có h ằn g sơ' điện mơi lớn n h ấ t số chất lỏng Những tín h c h ấ t b ất thường đặc tín h lưỡng cực quan trọng phân tử nước T rên h ìn h 1.3 (Horne, 1969) vẽ đám m ây điện tử góc phân tử nước kết c ủ a lai hoá điện tử s p d ẫn tới sinh hai quỹ đạo liên kết nguyên tử o nguyên tử H, h quỹ đạo sp3 phản liên kết Như p h â n tử nước có m ật độ điện tích âm cao gần nguyên tử oxi mật độ điện tích dương cao gần proton Đó m ột p h â n tử lưỡng cực H ình 1.4 (H orne, 1969) rõ góc 105° đo liên k ết hiđro hướng m om en lưỡng cực Momen lưỡng cực đo nước 1,844 debye (1 đơn vị debye = 3,336.10“30 cm) M omen lưỡng cực nước tạo cho nưốc n hữ ng tín h ch ấ t đặc biệt trạng th i lỏng Độ dài liên k ết O -H p h ân tử H 20 0,96 Ả (1 Ả = '10m) Hình 1.3 Mỏ tả đám mây điện tử Tương tác lưỡng cực - lưỡng cực hai phân tử H 20 (Horne, 1969) p h ân tử nước tạo th n h liên kết hiđro có b ản c h ấ t tĩn h điện Khoảng cách liên kết hiđro đo 2,76 Ả 0,276 nm (hình 1.4) Cấu trú c liên k ết hiđro nước đá trình bày h ìn h 1.5a mơ h ìn h đề nghị cho cấu trúc nước trạ n g th i lỏng d ần h ìn h 1.5b T rong cấu trúc nưdc đá tứ diện mở, n g u y ên tử oxi liên 11 H ình 6.5 rõ dung lượng đệm đồng th ể ßCT tương đốì nhỏ Đối với hệ nước ngọt, ßCaC0 ßpco đ án g ý thực tế C a C (r) c h ấ t đệm có hiệu vùng pH tru n g tín h axit Vì ví dụ như, m ột lượng lớn ax it đưa vào hệ nước tự n h iên chứa C a C (r), lúc đầu pH hệ giảm n h a n h P h ạm vi giảm tù y thuộc n h iề u vào độ lớn p h ần dung lượng đệm tổng cộng hợp p h ầ n đệm hòa ta n tạo Vì vậy, cuối là, giảm pH thêm axit vào dẫn tới hòa ta n canxi cacbonat rắ n tạo vị tr í cân b ằn g N hư biến đổi pH cuối nhiều so vối giảm b an đầu, chơng lại dung lượng đệm hợp p h ần đệm hòa ta n tạo nên K hi th êm lượng lớn bazơ m n h vào th ì ngược lại, dẫn tối lắng đọng canxi cacbonat, n g h ĩa phục hồi lại pH theo chiều ngược lại, xảy r a khơng có canxi hịa tan Nhơm silicat có k h ả n ăn g lớn chông lại biến đổi pH (xem b ản g 6.1 ) Hệ anocthit - caolinit pH = có khối lượng đệm h àn g n g àn lầ n cao dung dịch cacbonat HT3 M N hư rõ trê n h ìn h 6.5, n h ữ n g hệ cân b ằn g bao gồm số’đủ lớn p h a tồn tạ i đ ạt được, nguyên tắc, khối lượng đệm vô hạn T rong thực tế, m ột phương pháp có th ể giữ cho pH nước khơng biên đổi cịn tù y thuộc vào động học n hữ ng p h ản ứ ng dị th ể N hữ ng phản ứng vói cacbonat rắ n n h ữ n g trìn h tra o đổi ion xảy r a n h a n h so với nhữ ng p h ản ứ ng biến đổi silicat N hững n ghiên cứu tốc độ p h ản ứng đệm cần th iết Theo q u an điểm động học, n hữ ng trìn h sin h hoá ả n h hưỏng đến điều chỉnh pH có tác dụ n g đệm hệ nước tự nhiên H o ạt động quang hợp làm giảm C tro n g k h i h oạt động hơ h ấp làm tă n g C Đốỉ với nước có n g ăn cản sâu xa tă n g pH Đó dự trữ C kh í Đối vối Pco cho trước pH h àm số độ kiềm Đ ể tă n g pH nước tro n g cân b ằn g với k h í từ đến cần p hải tă n g độ kiềm lên khoảng mđl/ r l (hoặc b ằn g cách th êm bazơ cách làm bay hơi) Do có hồ sơ đa, n g h ĩa n h ữ n g hồ chứa lượng lớn cacbonat bicacbonat tan có th ể đ t tới giá tr ị pH cao; ví dụ n h nước m ùa x u ân S ie rra N evada đổ vào phía đơng S ierra bị bay ỏ sa mạc Califocnia 130 6.5 TƯƠNG TÁC G IỮ A C Á C SINH VẬT V À M Ô I TRƯỜNG V Õ SINH: PHÉP TÍNH HỌP THỨC REDFIELD Các sinh v ật nước ản h hưởng đến nồng độ n h iều ch ất cách trực tiếp biến th i ông dẫn, chuyển hố, lưu trữ giải phóng (sự th ả i ra) Đê hiểu hố học mơi sinh th ủ y quyển, mốì q u an hệ n h ân môi quan hệ tương hỗ sinh v ật mơi trường cần p h ải suy xét nhiều m ặt S ự quang hợp hô hấp N hững liên k ế t giầu n ăn g lượng sinh k ết q u ả trìn h quang hợp, làm biến dạng cân n h iệt động Vi k h u ẩ n sinh vật hô hấp khác xúc tác cho n h ữ n g q trìn h oxi hố khử hướng tới phục hồi cân hoá học Theo đường đơn giản hố ta có th ể cho rằng, trạ n g thái dừng sản lượng quang hợp p = — (tốc độ sản sinh chất hữu p = rong dt biển, sinh khối) hô h ấp dị th ể dinh dưỡng R (tốc độ p h hủ y ch ất hữu cơ) (hình 6.6) Và trạ n g th i bền đặc trư n g hố học nhờ phép tín h hợp thức đơn giản (Redíield, 1966): 106 C + 16 NO; + HPO4' + 122 H 20 + 18 H+ (các kim loại vết lượng) p R {C106H 263O110N 16P + 138 (3) Nguyên sinh chất rong biển Sau lựa chọn, có th ể diễn tả nguyên sin h ch ất rong biển n h sau: {(CH2O)106 (NH3)16 (H3P 4)} Dòng n ăn g lượng qua hệ hồ hợp với chu trìn h d in h dưỡng nguyên tô' khác Giông hệ sinh th ái, hồ n h ữ n g vùng ph ụ cận đại dương bao gồm cộng đồng sinh v ật (điểm sản x u ất sở, mức dinh dưỡng khác n h a u điểm p h ân hủy tiêu thụ) tro n g dịng n ăn g lượng p h ản ả n h tro n g cấu trú c dinh dưỡng tro n g chu trìn h v ật chất Trong trìn h quang hợp, nitơ (NO; N H ;) photphat lấy với cacbon (C 02 HCO;) theo tỷ lệ C: N: p * 106:16:1 Hệ hơ hấp (sự oxi hố) sinh vật sản sinh hạt, sau lắng đọng, nguyên tô' lại giải phóng trỏ lại theo tỷ lệ gần Q trình đươc hồ hơp có sơ hơ hấp w -1,3 AC (h o ă c —~ -9 ) (xem h ìn h 6.6) ' an 131 Hình 6.6 6.6 ĐẠI DƯƠNG: HANG số tư ng đ ố i c ủ a thành phần v cân BẰNG HỐ HỌC M uối hịa ta n nước biển (theo số) rấ t đ án g ngạc n h iên nhữ ng hợp p h ần chủ yếu (bảng 6.2) định đến mức c r , SO;;', Mg2+, K+, Ca2+ N a+ nhữ ng th n h p hần muối biển chủ yếu N hữ ng tỷ số m ột hợp p h ần trê n th n h p h ần khác rấ t h ằng định Sự h ằng đ ịn h khơng th ể mở rộng cho tấ t hợp p hần vết (xem bảng 6.1) đặc biệt không th ể mỏ rộng cho nguyên tố sinh giới h ạn (biolimiting), chúng bị loại tr khỏi nước biển bề m ặ t sinh vật Đối với nguyên tô' không giới h n sin h học, tỷ số nguyên tô" trê n tổng sơ' muối (ví dụ độ clo) m ẫu nước biển bề m ặt sâ u không biến đổi 132 B ả n g Thành phần chủ yếu nước biển Nước biển Hợp phần chủ yếu Thời gian lưu trú đại dương log X (năm)d s =35%0 (g.kg- ) (g k g 1) độ clob (mol.kg'1), độ clo Na+ 10,77 0,556 0,0242 7,7 Mg2+ 1,29 0,068 0,0027 7,0 Ca2+ 0,4121 0,02125 0,000530 5,9 K+ ,3 9 0,0206 0,000527 6,7 Sr2+ ,0 0,00041 0,0000047 ,6 cr 19,354 0,9989 0,0282 7,9 2,7 0,1400 0,0146 6,9 ,1 4 0,00735 ,0 0 4,9 Br" ,0 0,00348 0,000044 F ,0 0,000067 0,0000035 5,7 B ,0 0,000232 0,0000213 7,0 x z = 1'82 so - HCO c a) Độ muốĩ, s = 35 £ = 0,058 (%o) định nghĩa khơi lượng tính gam chất vơ hịa tan kg nước biển sau toàn Br“, rđược thay lượng tương đương c r tất H C yà C O " chuyển thành oxit Trên 97% nước biển giới, độ muôi s khoảng 33%0 -r 37%0 Tổng số gam hợp phần chủ yếu (muôi biển) ký hiệu gT- kg dung dịch có quan hệ vói độ clo qua cơng thức gT= 1,81578 C1 (%o) Độ muối định nghĩa s % = 1,80655 (C1 %o), là: gT = 1,00511 s % b) Độ clo, C1 %0 , xác định cách chuẩn độ nước biển với AgN 03 Độ clo định nghĩa đương lượng clo tổng nồng độ halogen tính g.kg"1 nước biển; định nghĩa khôi lượng tính gam Ag cần để kết tủa halogen (Cl” Br~) 328,5233 g nước biển Nó đủ để chứng minh rằng, thành phần tương đối hợp phần chủ yếu (lốn mg.kg"1 nước biển) nước biển gần định Bằng cách đo hợp phần nước biển định rõ thành phần hợp phần khác Hợp phần thường lựa chọn độ clo, C1 (%o) c) Những kết dẫn đổi với HCO3 giá trị thật độ kiềm cacbonat nhiên diễn tả tất HCO3 d) Thời gian lưu trú tính cơng thức X= M/Q, M hợp phần đặc biệt, nồng độ nưóc biển nhân với khôi lượng đại dương Q nồng độ hợp phần nước sông trung bình nhân vối lưu lượng hàng năm nước sông chảy vào đại dương 133 Tỷ lệ tương đối ion chủ yếu nước biển tro n g tru n g bình nước sơng h o àn to àn khác n h au Sự làm giầu nước sông không tạo nên nước đại dương Vì nươc sơng tru n g bình làm giầu bay hơi, biến đổi ch ất vô d ẫn đến k ết tủ a tỷ sô' n g u y ên tố biến đổi N hư th ấ y tro n g ví dụ 6.1 h ìn h 6.4b, th n h p h ầ n nước sông bay giống n h th n h p h ần nước muối đặc, không p h ải nước biển, bị cacbonat hoá bay n h iều so với th n h p h ầ n nước biển Hơn nữa, ch ất ta n có m ặ t tro n g đại dương m ột p h ầ n nhỏ ch ấ t ta n sông chuyển vào đại dương sa u thời kỳ địa chất Rõ rà n g ion bị loại trừ khỏi đại dương m ột cách n h a n h chóng gần n h ch ú n g đ ã sông cung cấp cho đại dương N hư trìn h loại sử d ụ n g n h biện pháp giám sá t chủ yếu th n h p h ầ n hoá học nước biển Thực ch ất h q u an điểm điều chỉnh th n h p h ầ n nước biển bổ sung cho nhau: Đ iều chỉnh b ằn g cân hố học nước biển trầ m tích đại dương Đ iều ch ỉn h động học tốc độ cung cấp hợp p h ầ n riên g biệt tương tác chu trìn h sinh học n h chu trìn h hỗn hợp H iển n h iên rằn g , biển hệ động mở với đầu vào đ ầu r a khôi lượng n ăn g lượng biến đối, trê n sở trạ n g th i cân b ằn g th iế t lập N hư biết, k h niệm n ăn g lượng tự kh ô n g h ề m ất tầ m quan trọ n g tro n g hệ động học T rong nghiên cứu cân b ằn g động học hệ đại dương cần nhắc lại rằn g việc sử dụn g th a n g thời gian r ấ t cần th iế t để đồng n h ấ t n h ữ n g trìn h khác 6.7 Sự HẰNG ĐjNH thành PHẦN: TRẠNG THÁI BỂN Hoá học n h ữ n g h ệ đại dương nước p h ụ thuộc n h iề u vào động học q trìn h v ậ t lý hố học khác n h a u vào n h ữ n g p h ả n ứ ng hoá sinh vào nh ữ n g điều kiệh cân Mơ h ìn h đơn g iản n h ấ t mô tả n hữ ng hệ mở vào mơi trư ờng mơ h ìn h trạ n g th i bền thời g ian khô n g đổi Vì biển giữ h ằn g đ ịnh tro n g m ột thời kỳ địa ch ất gần đây, điều có th ể sở tơ t cho giải th ích th u ậ t ngữ mơ h ìn h trạ n g th i bền đại dương Đ ầu vào cân b ằn g đầu hệ trạ n g th i bền Nồng độ m ột nguyên tố nước biển giữ h ằ n g đ ịn h thêm vào biển với tốc độ bị khử khỏi nước biển trầ m tích Đ ầu vào đại dương bao gồm chủ yếu: 134 Các ch ất tan , ch ất dạng h t m ang vào nhờ dịng chảy Si nóng chảy từ núi lửa, chất liệu b azan sin h trự c tiếp N guồn vào từ k h í Thường có th ể bỏ qua h trìn h sau cân khối lượng Đ ầu chủ yếu trầ m tích; n h ữ n g nguyên n h ân ngẫu n h iên p h t xạ (phát tán) vào kh í cần b àn luận, c ầ n ý rằng, hệ xét mơ h ìn h đơn giản biển, điều có nghĩa đại dương có th ể tích định, n h iệ t độ, áp s u ấ t h ằ n g định th n h p h ần đồng n h ất K hái niệm thời gian lưu trú (hoặc thời gian trả i qua) ng u y ên tố tro n g biển T, định nghĩa n hư sau: Lượng biển X = — Lượng cung cấp trê n đơn vị thời gian lượng bị khử bỏ tro n g đơn vị thời gian (4) ký hiệu n g ắn gọn: X=— — (thòi gian) (5) I t, đây, lượng M có th ể dùng đơn vị (nghĩa mol) đ ầu vào lưu lượng khử Tị tín h đơn vị trê n đơn vị thời gian (nghĩa m ol.năm "1) Mỗi đ ầu vào lưu lượng khử tương ứng với thời gian lưu trú tru n g b ìn h riêng p h ầ n X , xác định với mối q u an hệ với trìn h riên g phần: X = —- (thời gian) ( 6) L Khi thịi gian lưu tr ú tru n g bình tín h theo: 1 — X = — X, + — x2 + + — (7) x„ Phương trìn h (7) cho th ấ y lưu lượng m ạn h (thòi gian lưu tr ú riêng p h ẩ n nhỏ) tạo đóng góp dịng yếu đến mức khơng đáng kể Vì xin xout tượng trư n g cho tốc độ đầu vào tốc độ k h tương ứng m ột nguyên tố tro n g biển, nên: 135 dM (8) Nếu với giả th iế t gần đầu tiê n rằn g tốc độ khử tỷ lệ với tổng lượng nguyên tố tro n g biển, nghĩa Tout = k.M, k h ằn g số tốc độ lúc trạ n g th i bền, phương trìn h (8) trỏ th àn h : = Tin - k.M k-1 = M T~' (9) =T Số nghịch đảo thòi gian lưu tr ú h ằ n g sô" tốc độ khử m ột nguyên tơ" biển Tốc độ trầ m tích điều chỉnh chủ yếu tốc độ m ột nguyên tô" chuyển (bị lấy sinh vật, bị k ết tủ a, đồng k ết tủ a, trao đổi ion) vào dạng không tan , lắng xuống Khi so sá n h th n h p h ần ion chủ yếu nước sông với th n h p h ần ion chủ yếu nước biển cần lưu ý rằng, nưốc biển nước sông bay cách đơn giản Bảng 6.3 Thành phần ỉon chủ yếu nước sông nước biển trung bình lon Trung bình nước sơng (m M ) Trung bình nước biển (mM) HCO3 ,8 2,38 0,069 28,2 cr 0,16 545,0 C a 2+ 0,33 10 ,2 M g2+ 0,15 53,2 Na* 0,23 68 ,0 K* 0,03 10 ,2 SO 4” Đối với h ầ u h ế t ngun tố, thịi gian lưu tr ú tín h trê n sở xác định đầu vào từ đ ấ t từ tín h tốn thời g ian trầ m tích Các k ế t thu từ h phương pháp gần n h au đến ngạc nhiên Các ngun tơ" q bão hồ cao (ví dụ n h Al, Fe) có thời gian lưu trú n gắn, thời gian nhỏ so với thời gian cần th iế t cho trộ n lẫn đại dương M ặt khác, ngun tơ có k h ả p h ản ứng th ấ p n h N a Li có thời gian lưu tr ú r ấ t dài 136 6.8 MIỆNG NÚI LỬA THỦY NHIỆT Vào n h ữ n g năm 70 th ế kỷ trước, sau mở rộng th ám hiểm dọc theo khe n ứ t G alapagos, n h ữ n g m iệng núi lửa th ủ y n h iệt dưối biển sâu phát T rong năm sau vùng m iệng núi lửa th ủ y n h iệt định vị dọc theo phía tâ y T hái B ình Dương C húng chia th n h h nhóm lớn: - Vùng miệng núi lửa ấm với nhiệt độ -ỉ- 23°c chảy với tốc độ 0,5 4- m.s“1 - V ùng m iệng n ú i lửa nóng với n h iệt độ 270 380°c chảy với tốc độ m s“1 Vùng m iệng núi lửa nóng bao gồm m iệng núi lửa có n h iệ t ấm tru n g bình (< 300°C) (“khói trắ n g ”) m iệng n ú i lửa n h iệt độ cao (350 ± 2°C) (“khói đen”), s dụng vi sinh hiệu cao nhò n ăn g lượng địa n h iệt xuất tạ i vị tr í này, số động v ật r ấ t phong ph ú tậ p hợp th n h bầy xung q u an h n hữ ng m iệng n ú i lửa thực tê lại khơng có nguồn dinh dưỡng quang hợp trự c tiếp H ình 6.7 tóm tắ t n h ữ n g q trìn h vô x u ất tạ i n h ữ n g vị tr í miệng núi lửa ấm nóng Ja n n a sc h M ottl 1985 nêu tro n g trìn h chu trìn h nước biển qua vỏ trá i đ ất dọc theo hệ gỢn sóng đại dương, lượng địa n h iệ t chuyển th n h hoá n ăn g dạng hợp ch ất vô bị khử N hững hợp ch ất x u ấ t p h t từ p h ản ứng nước đại dương với loại đá vỏ trá i đ ấ t n h iệ t độ cao bốc từ m iệng núi lửa ấm (< 25°C) nóng (~ 350°C) dưối đại dương, độ sâu 2000 3000 m N hững vi k h u ẩn d in h dưỡng hoá th ch dùng hợp ch ất hoá học bị khử n h nguồn n ăn g lượng để khử cacbon đioxit (sự đồng hố tiêu hóa) th n h cacbon hữu cơ: C + H 2S + 2+ H 20 — ► [CH20 ] + H 2S (10) (q trìn h tự hố th ạch hiếu khí, vi k h u ẩn ) C + H — ► [CH20 ] + CH4 + H 20 (1 ) (quá trìn h tự hoá thạch, vi k h u ẩn ) N hững vi k h u ẩ n n ày tạo nên sở chuỗi dinh dưỡng cho sô" (phong phú) động v ật không xương sông đặc biệt thích hợp n h ấ t định p h t triển vùn g k ế cận m iệng núi lửa N hững cộng đồng sin h v ật biển sâu định xứ r ấ t hẹp ng r ấ t phong ph ú n h th ê bảo vệ chủ yếu nhò lượng trá i đ ất lượng m ặt trời N hững hợp chất lưu huỳnh bị khử x u ất đại diện cho n hữ ng ch ất cho chủ yếu đơi với chuyển hố vi k h u ẩn , n h n g vi k h u ẩn oxi hoá m etan, hiđro, sắ t m angan p h át 137 H ìn h Sơ đổ hệ thống rõ q trình hố học vơ xuất vị trí miệng núi lửa nước ấm nóng Nước biển lưu thơng sâu làm nóng đến 50 - 400°c phản ứng với vỏ bazan trái đất làm cho hợp chất khác vào dung dịch Nước nóng nâng lên, đạt tới sàn biển trực tiếp ỏ số điểm trộn lẫn VỚI lạnh phun nước biển xuống vào chỗ khác Sắt, đổng, kẽm , sunfua trộn lẫn kết tủa 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO Vernon L., Snoeyink, David Jenkins, 1980 Water Chemistry New York Wilkin R G ,\9 \ The Study of Kinetics and Mechanisms of Reaction of Transiten Metal Complexes New York Blandemer M J 1992 Chemical Equilibria in Solution Ellis Horward, New York Sarmiento J L., 1993 Chemical Carbon Cycle Helz G R., Zepp R G and Crosby D G (Eds), 1994 Aquatic and Surface Photochemistry, Lewis, Boca Raton FL Werner Stumm, James J Morgan, 1996 Aquatic chemistry John Wiley & Sons Inc New York 139 / f , Ị ; ■* ? Ï ỉ ; V- ■ ■ '■ ' ■’ ■’ I I ■; íậ Ị ' 'V ■ ¿ o '/ '¿ k ih - Á V