Tài liệu CÁC CHẤT Ô NHIỄM CHÍNH ppt

• Trong nhiều trường hợp, các kim loại trở thành chất ô nhiễm do hoạt động của con người, chủ yếu thông qua hoạt động khai mỏ và luyện kim, đã giải phóng chúng khỏi đá nơi chúng được tí

Bài 3

CÁC CHẤT Ô NHIỄM CHÍNH

*

Các chất ô nhiễm bao gồm rất nhiều loại hóa chất khác nhau, từ ion vô cơ đơn giản đến các phân tử hữu cơ phức tạp

I Các ion vô cơ

1 Kim loại

• Định nghĩa: Kim loại là nguyên tố có vẻ ngoài

phát ánh kim, là chất dẫn điện tốt và có thể đi vào các chuỗi phản ứng hóa học như là ion dương hay cation.

• Mặc dù kim loại là các cơ chất tự nhiên

nhưng chúng cũng được xem như là chất ô nhiễm Tất cả kim loại có mặt trên trái đất từ khi trái đất được hình thành ngoại trừ các đồng vị phóng xạ được tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân (bom hay lò phản ứng) Có một vài ví dụ về sự ô nhiễm kim loại là kết quả từ

sự phong hóa tự nhiên các vỉa quặng

• Trong nhiều trường hợp, các kim loại trở

thành chất ô nhiễm do hoạt động của con người, chủ yếu thông qua hoạt động khai mỏ

và luyện kim, đã giải phóng chúng khỏi đá nơi chúng được tích tụ trong suốt quá trình hoạt động của núi lửa hay sự xói mòn sau đó

và đưa chúng vào tình huống làm nguy hại

1998, chất thải của hoạt động khai mỏ giàu kim loại gần công viên quốc gia Donana, tây nam Tây Ban Nha được phóng thích ở hàm lượng lớn, đã gây ra một trong số các thảm họa môi trường tồi tệ chưa từng có ở tây

• Phạm vi mà hoạt động của con người tạo ra

chu kỳ toàn cầu của kim loại có thể được mô

tả bởi nhân tố làm giàu do con người (AEF – anthropogenic enrichment factor) Người ta nhìn thấy rõ là hoạt động của con người chịu trách nhiệm phần lớn đối với sự di chuyển của cadmium, chì, kẽm và thủy ngân nhưng không quan trọng trong chu trình của manganese AEF rất cao đối với chì là do việc sử dụng rộng rãi và sự phóng thích sau

đó của các chất phụ gia dựa trên chì từ xăng dầu Đối với phần lớn các đồng vị phóng xạ, AEF là 100%.

Kim loại Nguồn do

con người (A) (công nghiệp…)

Nguồn tự nhiên (núi lửa…)

Tổng cộng (T)

AEF (A/T

• Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố

hóa học, các nhóm nguyên tố có tính chất hóa học giống nhau thì nằm trong cùng một cột Hai cột đầu tiên chứa các nguyên tố sẵn sàng mất một hay hai electron lớp ngoài cùng để cho ra cation hóa trị một (cột 1) hay cation hóa trị 2 (cột 2) Trong số này là các kim loại tìm thấy phổ biến ở nước mặt

và trong đất ở dạng ion ổn định, như Na+, Mg2+ và Ca2+

Mười cột tiếp theo là các nguyên tố chuyển tiếp và cũng được xem là phức tạp hơn các nguyên tố kiềm và kiềm thổ tạo nên hai nhóm đầu tiên Di chuyển từ trái sang phải dọc theo ba loại nguyên tố chuyển tiếp đầu tiên, thì nhân lớn hơn và electron lớp ngoài cùng ít có khuynh hướng mất đi (để hình thành cation) hơn là các nguyên

tố ở cột 1 và 2

Kết quả là chúng có khuynh hướng chia sẻ electron với các nguyên tố khác, dẫn đến sự hình thành các cầu nối đồng hóa trị và các ion phức (như đồng, sắt, cobalt, hay nickel) Một vài nguyên tử lớn hơn

có khuynh hướng giữ electron và duy trì ở trạng thái cơ bản (như bạc

và vàng, được gọi là kim loại quý)

Các đặc trưng khác của sắt, đồng và các nguyên tố chuyển tiếp cụ thể khác có hóa trị thay đổi và tham gia vào các phản ứng vận chuyển electron Các phản ứng vận chuyển electron liên quan đến oxygen có thể dẫn đến sự sản sinh các gốc oxy độc, một cơ chế độc mà hiện nay được xem là quan trọng ở cả động vật và thực vật: người

ta nhận ra rằng một vài gốc oxy, như anion superoxide(·O2 -) và gốc hydroxyl (·OH), có thể gây ra tổn thương tế bào nghiêm trọng

Ở các cột còn lại, khi di chuyển từ trái sang phải, có khuynh hướng giảm hình thành cation Có sự tiến tới từ kim loại sang á kim, các á kim có các đặc trưng của cả kim loại và phi kim, cho đến khi tiến tới phi kim (C, N, O, P, S, Cl, Br,…) Cột cuối cùng là các khí trơ rất ổn định, không có bất kỳ phản ứng hóa học nào Hai dãy hàng ngang bên dưới bảng phân loại tuần hoàn chính chứa các nguyên tố hiếm của nhóm lanthanide và actinide, là các nguyên tố

Khuynh hướng hình thành các cầu nối đồng hóa trị bởi các á kim và bởi kim loại gần nhau có thể tạo thành chất có độc tính cao

Đầu tiên, các nguyên tố này có khả năng liên kết đồng hóa trị với các nhóm hữu cơ, dẫn đến hình thành các hợp chất ưa lipid và các ion Một vài hợp chất này là độc cao, như tetraalkyl chì, tributyl oxide thiếc, muối thủy ngân methyl và các dạng methyl hóa của arsenic Do khả năng ưa lipid của các hợp chất này, sự phân bố của chúng trong thực vật và động vật và độc tính của chúng thường khác nhau so với dạng ion của cùng một nguyên tố

Thứ hai, các nguyên tố này có thể gây độc bằng cách gắn kết với các thành phần vô cơ của các đại phân

tử, như sự gắn kết của đồng, thủy ngân và arsenic với các nhóm sulphydryl của protein.

• Thuật ngữ kim loại nặng được sử dụng

rộng rãi trước đây để mô tả các kim loại là các chất ô nhiễm môi trường Đối với một kim loại được xem là kim loại nặng, thì nó phải có tỉ trọng tương đối với nước lớn hơn 5 Tuy nhiên, thuật ngữ kim loại nặng đã bị thay thế bởi sự phân loại dựa trên tính chất hóa học của chúng hơn là tỷ trọng tương đối Điều này thì hợp lý hơn do có một vài kim loại không nặng nhưng có thể

Chẳng hạn, nhôm là một kim loại có tỷ trọng tương đối chỉ có 1,5 Tuy nhiên,

nó là chất ô nhiễm cực kỳ quan trọng ở các hồ bị acid hóa, nơi nó bị hòa tan và gây độc đối với hệ động vật Mang cá nhạy cảm với sự nhiễm độc nhôm Nhôm cũng được chứng minh là tác nhân trong trường hợp bệnh Alzheimer

ở người vì nhôm có lẽ bị lắng đọng lại trong não.

• Các kim loại không thể phân hủy sinh

học được Không giống một vài thuốc diệt côn trùng hữu cơ, kim loại không thể bị phá vỡ thành các thành phần không gây hại được Sự giải độc bởi các sinh vật bao gồm việc che giấu các ion kim loại hoạt động trong một protein như metallothionein (gắn đồng hóa trị với sulfur) hay giữ chúng ở dạng không hòa tan trong các hạt nội bào trong thời gian dài hay thải ra dưới dạng phân.

Cadmium Đồng Thủy ngân

Bạc

Sự phân chia tầm quan trọng của một vài ion kim loại cần thiết và không cần thiết như các chất ô nhiễm thành Nhóm A (kiếm oxygen), Nhóm B (kiếm sulfur hay nitrogen) và các nguyên tố trung gian dựa trên sơ đồ phân chia của Bieboer và Cichardson (1980)

• Tất cả các nguyên tố cần thiết đều có

nồng độ dinh dưỡng ở động vật, hay nồng độ trong đất ở thực vật, nồng độ này được duy trì để sinh vật tăng trưởng và sinh sản bình thường

Ngoài carbon, hydrogen, oxygen và nitrogen, thì tất cả động vật cần bảy nguyên tố khoáng chính là calcium, phospho, kali, magne, natri, chlo và sulfur để cân bằng ion và tham gia vào cấu trúc của thành phần bên trong của amino acid, nucleic acid.

Mười ba nguyên tố khác được gọi là nguyên tố vết thì cần thiết tuyệt đối, gồm sắt, iod, đồng, mangan, kẽm, cobalt, molybden, selen, chrom, nickel, vanadi, silicon và arsen

cần cho hoạt động bình thường của

phần của haemoglobin, sắc tố chuyên chở oxygen trong tế bào máu.

Boron rất cần thiết cho thực vật Một

nhôm, fluor và thiếc , có thể cần

trong một thời gian dài chỉ được xem là chất độc nguy hiểm cho đến khi khám phá ra vai trò của nó ở enzyme glutathione peroxidase

Mối quan hệ giữa hoạt động (P) (tăng trưởng, sự sinh sản, sự sống sót) và nồng độ của nguyên tố cần thiết (Ce) và không cần thiết (Cne) trong phần

ăn của động vật Các tác động thiếu hụt ở mức siêu vết (d) của nguyên tố không cần thiết có lẽ được phát hiện thấy nhờ vào sự nhạy cảm của các

kỹ thuật phân tích mà đã được cải tiến.

• Các nguyên tố không cần thiết như thủy

ngân hay cadmium, thì ngoài việc gây độc ở hàm lượng cụ thể, còn có thể ảnh hưởng đến sinh vật bằng cách cảm ứng tạo ra sự thiếu hụt các nguyên tố cần thiết thông qua cạnh tranh vị trí hoạt động ở phân tử quan trọng về mặt sinh học Một sự đối kháng như vậy cũng xảy ra giữa các nguyên tố cần thiết

Ở nồng độ 5 µg Mo (molybden) trên một gram dinh dưỡng ở gia súc là đủ để làm giảm sự hấp thu đồng đi 75%, điều này thường dẫn tới 75%, là đủ để đưa đến các hiện tượng thiếu hụt đồng.

Kim loại Hoạt động bình thường (sự

hydrat hóa của CO 2 )

Kẽm Cobalt Nickel Cadmium Manganese Đồng Thủy ngân

100 56 5 4 4 1 0.05

Mức độ hoạt động của carbonic anhydrase, được thể hiện liên quan với kẽm, các kim loại khác được thay thế trong protein

2 Các anion

Có một vài chất ô nhiễm vô cơ không độc nhưng gây ra các vấn đề về môi trường do chúng được dùng ở lượng lớn Các chất này bao gồm các anion như nitrate và phosphate.

• Các phân bón nitrate được sử dụng

rộng rãi trong nông nghiệp Trong suốt quá trình tăng trưởng của cây trồng, rễ thực vật hấp thu phần lớn phân bón Tuy nhiên, khi thực vật ngừng tăng trưởng thì nitrate được phóng thích trong suốt quá trình phân hủy xác bã thực vật và có thể làm phú dưỡng hóa dòng nước gần đó Sự gia tăng nitrogen có thể gây ra sự nở hoa của tảo Kết quả quá trình phú dưỡng hóa

có thể dẫn đến thiếu hụt oxygen do các

vi sinh vật phân hủy mô tảo chết.

• Ở Anh quốc, giới hạn an toàn đối với

nitrate trong nước uống là 50 ppm Vấn

đề sức khỏe con người có thể phát sinh nếu trẻ con tiêu hóa sữa làm từ nước bị ô nhiễm nitrate Trong suốt một vài tháng đầu, trẻ sơ sinh có bao tử kỵ khí Các nitrate được biến đổi thành nitrite trong môi trường nghèo oxygen Các nitrite gắn vào hemoglobin và làm giảm khả năng chở oxygen và bé có thể phát sinh triệu chứng trẻ da xanh Vấn đề không nảy sinh với trẻ bú sữa mẹ

Ở các vùng có nền nông nghiệp tập trung, thì hàm lượng 100 ppm vượt quá trong nước lấy

từ sông hay ở các giếng nơi mà nitrate đi qua tầng ngậm nước Vấn đề có thể giải quyết bằng cách loại bỏ nitrate một cách hóa học tại các trạm xử lý nước hay bằng cách pha loãng nước bị ô nhiễm với nước từ nguồn không có nitrate Giải pháp lâu dài là làm giảm việc sử dụng nitrate tại các đầu nguồn nước sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt cho cộng đồng.

• Các vấn đề tương tự của phú dưỡng hóa

cũng có thể nảy sinh với phosphate được sử dụng như phân bón Tuy nhiên, có một nguồn ô nhiễm phosphate nữa, đó là bột giặt hay các chất tẩy rửa

II Các chất ô nhiễm hữu cơ

Đa số các hợp chất có mang carbon được xem như chất hữu cơ, trừ một số ngoại lệ là các phân tử đơn giản như CO 2 và CO Carbon có khả năng xâm nhập vào sự hình thành của nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp, nhiều chất này là thành phần chính của các sinh vật sống Lý do là có khuynh hướng các nguyên

tử carbon hình thành các cầu nối ổn định với các nguyên tử khác, do vậy hình thành các vòng và các mạch được mở rộng thêm Carbon cũng hình thành các cầu nối ổn định với hydrogen, oxygen và nitrogen.

• Các phân tử chỉ được hình thành bởi mỗi

carbon (như than chì và kim cương) hay bởi carbon và hydrogen (hydrocarbon) có rất ít khả năng phân cực và do vậy có khả năng hòa tan nước thấp Các phân tử phân cực có cực tích điện đi cùng với chúng; các phân tử không phân cực không có hay có rất ít Các phân tử có cực mạnh được xem như phân cực mạnh; các phân tử tích điện thấp có khả năng phân cực thấp Các hợp chất phân cực

có khuynh hướng tan trong nước do các cực hút các cực đối nghịch lên các phân tử nước

Ví dụ, cực dương ở phân tử hữu cơ sẽ gắn

Các hợp chất carbon có khuynh hướng phân cực hơn và có phản ứng hóa học hơn khi chúng mang các nhóm chức năng như OH, HCO và NO2- Trong các

ví dụ này, nguyên tử oxygen hút các electron từ các nguyên tử carbon xung quanh, do vậy gây ra sự mất cân bằng điện lên phân tử Các phân tử có khả năng phân cực cao có khuynh hướng

đi vào các phản ứng hóa học và sinh hóa hơn là các phân tử có khả năng phân cực thấp.

• Phản ứng của các hợp chất hữu cơ tùy

thuộc vào cấu trúc phân tử của chúng Kích thước phân tử, hình dạng phân tử

và sự hiện diện của các nhóm chức năng là các yếu tố quyết định quan trọng của con đường chuyển hóa và độ độc Do vậy rất quan trọng là biết cấu trúc của các chất ô nhiễm để hiểu và

dự đoán điều gì xảy ra với chúng trong

môi trường sống

• Các chất ô nhiễm là các hợp chất do con

người tạo ra, chúng hiện diện trong môi trường tự nhiên trong suốt cuối thế kỷ vừa qua Như vậy, thời gian tiến hóa của các chất này rất ít và khả năng tiến hóa của các cơ chế bảo vệ chống lại các tác động độc (như

sự giải độc bởi các enzyme) bên cạnh các cơ chế có sẵn nhằm chống lại các chất ngoại sinh tự nhiên cũng rất ít Chúng khác so với các chất ô nhiễm vô cơ và các chất ngoại sinh hiện diện trong tự nhiên có tính độc (như nicotine, pyrethrin và rotenone là các hợp chất được sinh ra bởi thực vật có độ

Các hydrocarbon vòng thơm đại diện cho một trường hợp đặc biệt Chúng được sinh ra bởi sự đốt cháy vật liệu hữu cơ kể từ khi có mặt thực vật bậc cao trên trái đất (chẳng hạn như là kết quả của cháy rừng bởi dung nham).

Giống như kim loại được khai thác , sự gia tăng hàm lượng của chúng trong môi trường như là kết quả của hoạt động của con người (sự đốt cháy than

và xăng dầu để sản xuất các

1 Các hydrocarbon

• Các hydrocarbon là các hợp chất được tạo

nên bởi nguyên tố carbon và hydrogen Một vài hydrocarbon có trọng lượng phân tử thấp (như methane, ethane và ethylene) tồn tại ở dạng khí ở nhiệt độ và áp suất bình thường Tuy nhiên, phần lớn các hydrocarbon là lỏng hay rắn Chúng có khả năng phân cực thấp (như sự tích điện) và do vậy có độ hòa tan trong nước thấp, nhưng chúng có độ hòa tan cao trong dầu và trong phần lớn các dung môi hữu cơ (Chúng không hòa tan nhiều trong các dung môi hữu cơ phân cực như

Các hydrocarbon được tạo thành bởi hydro và carbon Các hợp chất này có độ phân cực thấp và do vậy hòa tan trong nước thấp nhưng tan nhiều trong dầu và các dung

• Các hydrocarbon có thể chia làm hai

nhóm, (i) các alkane, alkene và alkyne và

(ii) các hydrocarbon mạch vòng Đặc trưng phân biệt được của các hydrocarbon mạch vòng là sự hiện diện của một hay nhiều vòng benzene trong cấu trúc của chúng Các vòng benzene là cấu trúc sáu carbon không bão hòa, tức

là không phải tất cả hóa trị carbon có sẵn đều tạo liên kết với hydrogen Sự thật là, các vòng benzene tái định vị các electron

có thể di chuyển tự do khắp toàn bộ hệ thống vòng và không ở cạnh vùng lân cận

Chúng thay đổi lớn về kích thước nguyên tử và

có lẽ bão hòa hoàn toàn (như hexane và octane) hay không bão hòa Các hydrocarbon không bão hòa mang các cầu nối đôi carbon- carbon (như ethylene) hay cầu nối ba carbon- carbon (như acetylene) Các hydrocarbon bão hòa được xem như là các alkane, các hydrocarbon không bão hòa có cầu nối đôi carbon-carbon là alkene và các hydrocarbon không bão hòa có cầu nối ba carbon-carbon

là alkyne Chúng có thể tồn tại ở dạng mạch đơn, mạch nhánh hay vòng Tính chất của hai nhóm hydrocarbon này sẽ được xem xét tách biệt nhau.

• Tính chất của hydrocarbon không phải là

vòng tùy thuộc vào trọng lượng phân tử và

độ không bão hòa Các alkane thì ổn định và không phản ứng và có công thức tổng quát

là C-nH2n+2 Bốn thành viên đầu tiên của nhóm này tồn tại ở dạng khí (<n = 4) Khi n = 5-17, chúng ở dạng lỏng tại nhiệt độ và áp suất thường Khi n = 18 hay hơn nữa, thì chúng ở dạng rắn Các alkene và alkyne thì phản ứng hóa học hơn do chúng có mạch đôi carbon-carbon hay mạch ba Như đối với alkane, các thành viên của nhóm thấp hơn ở dạng khí, thành viên cao hơn ở dạng lỏng hay rắn.