L ỜI GIỚI THIỆ Ụ
3.1QUY LUẬT CHUNG HOÀ TAN CÁC KHÍ TỪ KHÍ QUYỂN VÀO
VÀO NƯỚC BIỂN
Như đã biết, quá trình hoà tan một chất khí nào đó từ khí quyển vào nước biển là quá trình thuận nghịch và hướng của quá trình phụ thuộc vào áp suất của khí đó trên mặt biển. Nếu áp suất của chất khí trên mặt biển lớn hơn áp suất của chính khí đó trong nước biển thì các phân tử khí tiếp tục đi từ khí quyển vào nước biển, ngược lại, các phân tử khí sẽ từ nước biển đi ra khí quyển. Quá trình này luôn luôn có xu thế đạt tới trạng thái cân bằng, là trạng thái mà áp suất của chất khí trong hai môi trường bằng nhaụ Tại trạng thái cân bằng, có bao nhiêu phân tử khí từ khí quyển đi vào nước biển thì cũng có bấy nhiêu phân tử khí từ nước biển đi ra khi quyển. Trạng thái cân bằng như vậy là cân bằng động. Khi trạng thái cân bằng được thiết lập, nồng độ chất khí trong nước biển được gọi là nồng độ bão hoà và được xác định bằng biểu thức của định
luật Henri-Danton như sau:
Ci = Ki.Pi
trong đó Ci là nồng độ bão hoà của chất khí i trong nước biển, Pi-áp suất của khí đó trên mặt nước biển, Ki-hệ số tỷ lệ (còn gọi là hệ số hấp thụ) phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, độ muối và thứ nguyên của các đại lượng. Khi Pi=1 thì Ki chính bằng nồng độ bão hoà và gọi là độ hoà tan của chất khí tại nhiệt độ và độ muối cho trước. Độ hoà tan của hầu hết các chất khí trong nước (trừ Amoniac) tỷ lệ nghịch với nhiệt độ và độ muốị Bảng 3.1 có đưa ra giá trị độ hoà tan của khí Ôxy, Nitơ trong những điều kiện nhiệt độ, độ muối khác nhaụ
Bảng 3.1: Độ hoà tan của khí Ôxy, Nitơ (ml/l) phụ thuộc nhiệt độ, độ muối (theo Sverdrup và Jhonson)
Khí T0C S = 0 %o S = 16 %o S = 20 %o 0 49,24 40,10 38,20 Ôxy 24 29,38 24,80 23,60 0 23,0 15,02 14,21 Nitơ 24 14,63 9,36 8,96
Định luật Henri-Danton cho thấy nếu có một hỗn hợp khí trên bề mặt chất lỏng thì nồng độ bão của một chất khí nào đó chỉ phụ thuộc vào áp suất riêng của chính khí đó mà không phụ thuộc vào sự có mặt của các khí khác có trong hỗn hợp. Khí quyển hành tinh là một hỗn hợp của nhiều khí, áp suất khí quyển chính là tổng của áp suất riêng của từng khí có mặt trong đó:
Bảng 3.2: Nồng độ bão hoà của Ôxy và Nitơ trong nước biển phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối ở điều kiện áp suất khí quyển bình thường (P=1atm)
(theo Grin và Đuglax)
Nồng độ bão hoà của Ôxy (ml/l) Nồng độ bão hoà của Nitơ (ml/l) ToC Cl %o 0 10 20 30 ToC Cl %o 0 10 20 30 0 10,35 9,08 6,53 5,49 15 19,31 15,54 13,09 11,46 5 9,72 8,54 6,18 5,23 16 19,04 15,36 12,93 11,34 10 9,11 8,04 5,88 4,97 17 18,77 15,18 12,78 11,23 15 8,56 7,57 5,56 4,71 18 18,50 15,00 12,63 11,11 20 8,03 7,13 5,29 4,49 19 18,24 14,81 12,48 11,00 25 7,52 6,73 5,02 4,25 20 17,97 14,63 12,32 10,88 30 7,07 6,34 4,76 4,04 21 17,70 14,45 12,17 10,77 ) ( ... , , , ... 078 021 00003 1 atm P P P P 2 2 2 O CO N KQ = + + + = + + + =
Bảng 3.2 có đưa ra nồng độ bão hoà của Ôxy và Nitơ trong nước biển tại các điều kiện nhiệt muối khác nhau khi áp suất khí quyển bằng 1 atm (nghĩa là áp suất riêng của Nitơ là 0,78 atm, của Ôxy là 0,21 atm).
So sánh những giá trị ở bảng 3.1 và 3.2 thấy rằng, ở cùng một điều kiện nhiệt muối cho trước, mặc dù độ hoà tan của Ôxy lớn hơn của Nitơ (nghĩa là khả năng hoà tan của Ôxy tốt hơn) song nồng độ thực tế trong nước biển của Nitơ lại lớn hơn Ôxỵ Áp suất riêng của Nitơ trong khí quyển (0,78 atm) lớn hơn của Ôxy (0,21 atm) chính là nguyên nhân của hiện tượng nàỵ
Định luật Henri-Danton cho phép giải thích nhiều hiện tượng trong quá trình hoà tan các khí từ khí quyển vào nước biển. Là quá trình thuận nghịch, tại những điều kiện nhiệt độ, độ muối cho trước, quá trình hoà tan các khí luôn có xu thế đạt đến sự cân bằng. Nếu nồng độ các khí trong nước biển vượt quá nồng độ bão hoà, nó sẽ tự trở lại khí quyển, ngược lại, khí quyển tiếp tục cung cấp khí cho nước biển. Tuy nhiên, trong những trường hợp cụ thể vẫn có thể tồn tại trạng thái quá bão hoà hoặc chưa bão hoà trong khoảng thời gian dàị Chẳng hạn khi gặp những điều kiện thuận lợi (ánh sáng, nhiệt, muối, dinh dưỡng thích hợp) sinh vật quang hợp phát triển mạnh sẽ làm nồng độ khí Ôxy hoà tan tăng cao trên mức bão hoà. Do chưa kịp thoát ra khí quyển hoặc tốc độ thoát ra khí quyển nhỏ hơn nhiều so với tốc độ giải phóng Ôxy trong quang hợp nên khí Ôxy vẫn tiếp tục được tích luỹ, sẽ dẫn đến hiện tượng trạng thái quá bão hoà được duy trì.
Để biểu diễn nồng độ các khí hoà tan, ngoài dạng tuyệt đối (ml/l, mg/l...) người ta còn sử dụng dạng tương đối (phần trăm độ bão hoà).