Luận văn nước dưới đất

luận văn nghiên cứu nước dưới đất. tổng quan.. chi tiết..đầy đủ..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.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG 2

DANH MỤC HÌNH 2

DANH MỤC PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM 2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2

MỞ ĐẦU 2

Tính cấp thiết 2

Mục tiêu 4

Nội dung 4

Phương pháp 4

Kế hoạch 4

Kết quả 5

Ứng dụng 5

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP 5

1.1 Khái quát về nước dưới đất 5

1.1.1 Khái niệm và cấu trúc nước dưới đất 5

1.2 Hóa học nước dưới đất 13

1.2.1 Định luật tác động khối lượng 13

1.2.2 Ảnh hưởng ion chung 18

1.2.3 Các hoạt tính hóa học 20

1.2.4 Hằng số ion hóa của nước và axit yếu 23

1.2.5 Cân bằng cacbonat 23

1.2.5.1 Cân bằng cacbonat trong nước có áp suất riêng phần CO2 cố định 23

1.2.5.2 Cân bằng cacbonat và sự khống chế pH bên ngoài 25

1.2.6 Năng lượng tự do 26

1.2.7 Thủy văn chất đồng vị 26

1.2.8 Các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần hóa học nước dưới đất 27

1.2.9 Hóa học của các loại nước dưới đất 28

1.3 Lý học nước dưới đất 30

1.3.1 Nước có áp 30

Dòng chảy vào giếng có áp 31

1.3.2 Nước không áp 32

1.3.3 Nước (giếng) bán áp 32

Tầng chứa nước bán áp 34

1.3.4 .Phương trình cơ bản dòng chảy vào giếng không áp 34

1.3.5 Mô hình lý học nước dưới đất 35

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC A: HÌNH ẢNH KHẢO SÁT 40

PHỤ LỤC B: BẢNG TÍNH 40

PHỤ LỤC C: BẢN VẼ 40

DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Nước dưới đất gồm tất cả nước tồn tại dưới dạng khác nhau phân bố trong các chỗ trống, các khe nứt của đất đá nằm dưới mặt đất Nước dưới đất có diện tích phân bố rộng rãi từ vùng ẩm ướt cho đến các sa mạc, ở núi cao, vùng cực của trái đất. Nước dưới đất có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong đời sống tự nhiên và xã hội con người ở những nơi khí hậu khô hạn, vào mùa cạn khi nước trên bề mặt rất hiếm thì nước dưới đất trở nên nguồn cung cấp cực kỳ quý giá Nước dưới đất thực chất là một loại khoáng sản lỏng, cung cấp cho các ngành công nghiệp, cho sinh hoạt dân dụng, phục vụ cho nông nghiệp Quy lụât hoạt động và di chuyển của nước dưới đất có ảnh hưởng đến các công trình khai thác, kiến trúc xây dựng, giao thông .v.v Cần phân biệt nước dưới đất với nước ngầm mà chúng ta hay dùng để chỉ chung các

loại nước không tồn tại trên mặt đất Nước ngầm chỉ là một loại trong nước dưới đất Nước ngầm được sử dụng cho khoảng 2 tỷ người trên thế giới Nó được coi là nguồn tài nguyên thiên nhiên sử dụng đơn giản nhất.

Nước dưới đất có thể chứa một lượng muối có lợi cho sức khoẻ Khi nước dưới đất có chứa các nguyên tố hoá học với hàm lượng thích hợp thì nó trở thành một loại nước khoáng chữa bệnh hoặc giải khát có lợi cho sức khoẻ con người Nước có nhiệt độ cao cũng là nguồn năng lượng quan trọng Theo thống kê, nguồn năng lượng nhiệt của nước dưới đất tương đương với năng lượng của 2900 tỷ tấn than

Vậy nước dưới đất do đâu mà có? Nước dưới đất hình thành do mưa, nước của lớp băng phủ hoặc từ các tầng chứa nước của các sông hồ ngấm xuống

- Nước dưới đất hình thành do hơi nước trong không khí ngưng tụ lại trong các lỗ hổng, khe nứt của đá Quá trình xảy ra khi có sự không cân bằng giữa hơi nước trong không khí với hơi nước trong các đá Khi nhiệt độ của lỗ hổng và khe nứt của đá thấp hơn ở ngoài không khí thì nước ngưng tụ lại Đó cũng là trường hợp có những thấu kính nước ngọt phân bố trong các hoang mạc

- Nước dưới đất còn có nguồn gốc biển, hình thành cùng trầm tích biển, sau đó trải qua nhiều quá trình thành đá, quá trình kiến tạo Nhiều nhà khoa học cũng khẳng định rằng nước ở vùng khoáng hoá cao (nước muối) cũng là có nguồn gốc biển Nước biến đổi mạnh trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao

- Nước dưới đất cũng có nguồn gốc nguyên sinh Nước có nhiệt độ cao, có khí và các thành phần khác với các loại nước trên mặt đất Hơi nước trong magma bốc lên trong các đứt gẫy, các khe nứt kiến tạo đến vùng có nhiệt độ lạnh thì lắng đọng lại, tập trung thành nước Cũng có ý kiến giải thích sự đặc biệt trong thành phần nói trên như sau: nước ngấm thấu từ trên mặt xuống sâu, chạy qua vùng nhiệt độ cao và chứa nhiều

- Nước dưới đất có nguồn gốc thuỷ phân, nước phân giải tách ra từ các khoáng vật có

Nước dưới đất có ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống của con người Ngoài những lợi ích to lớn, nước dưới đất còn có những ảnh hưởng tiêu cực Về mặt tác dụng phá hoại, nước dưới đất chủ yếu là ăn ngầm (Tiềm thực) các đất đá xung quanh Có cả tác dụng cơ học nhưng chủ yếu là tác dụng hoà tan đóng vai trò to lớn Nước dưới đất hoà tan các đất đá thành dung dịch vận chuyển đi và gây ra sự phá hoại Phá hoại cơ học của nước dưới đất không lớn vì nó chảy chậm, lượng nước bé, không ồ ạt Tuy vậy ở nơi đá có nhiều khe nứt bở rời, nước dưới đất có thể ngấm và chảy, mở rộng các khe nứt nẻ dần dần làm cho đá xê dịch sụp đổ ở những chỗ có khe nứt lớn có hang động, nước dưới dưới đất có thể chảy ngầm với lưu lượng và vận tốc lớn, thực sự là một dòng ngầm, do đó có thể phá hoại khoét rộng khe nứt hoặc hang động gây sụp lở đất đá

Phá hoại hoá học là có tác dụng ăn mòn phá hoại đối với đất đá của nước dưới đất Hiện tượng này cũng xảy ra cả ở trên mặt Kết quả là tạo ra các hang động với địa

hình đặc biệt gọi là địa hình cactơ (karst).

ở Việt Nam, trong khu vực Bắc Bộ đến Quảng Bình phát triển khá nhiều đá vôi Do tác dụng hoà tan của nước nên hình thành các dạng địa hình cáctơ, các hang động, nhiều nơi trở thành danh lam thắng cảnh nổi tiếng như động Tam Thanh (Lạng Sơn),

Nước dưới đất mang các ion và các chất keo chứa trong nước đưa đến biển hoặc hồ ao Thông thường trong điều kiện nhiệt độ tăng cao, áp suất lớn, tốc độ chảy nhanh, nước

có chứa nhiều CO2 và các vật chất chứa axit thì nước dưới đất dễ vận chuyển Các vật chất được vận chuyển có liên quan đến khí hậu và thành phần đất đá nơi nước đi qua Nước dưới đất đi qua vùng khoáng sản kim loại nào thì vận chuyển các nguyên tố kim

Nước ô nhiễm có thể vận chuyển bệnh tật và mang hoá chất độc hại gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người Trong nhiều trường hợp nước dưới đất sạch hơn nước mặt Nước dưới đất thường được bảo vệ chống lại ô nhiễm từ bề mặt bởi đất và các tầng đá Điều này giải thích tại sao hầu hết nước sinh hoạt ở nhiều nơi trên thế giới là nước dưới đất Tuy nhiên do tình trạng gia tăng dân số, sử dụng đất thay đổi và công nghiệp hoá nhanh chóng nước dưới đất đang đứng trước nguy cơ bị ảnh hưởng nghiêm trọng Nước dưới đất nhiễm bẩn chỉ có thể được khử sạch bằng một quá trình lâu dài Xử lý nhanh chỉ là biện pháp mang tính tạm thời Thực tế này đã được con người nhận thức trên toàn thế giới Cộng đồng quốc tế và các nhà khoa học đang được khuyến khích để giúp đỡ tránh các hậu quả xấu, bảo vệ nguồn tài nguyên nước dưới đất quý hiếm và quản lý chặt chẽ để sử dụng bền vững lâu dài

Nếu xã hội tiếp tục sử dụng tài nguyên nước ngầm quý hiếm mà không có bồi hoàn, thảm hoạ cạn kiệt nước dưới đất sẽ gia tăng Chúng ta cần phải nhận thức đầy đủ về sự quý giá của nguồn tài nguyên nước dưới đất và cần chung tay quản lý sử dụng có hiệu quả và bền vững nguồn tài nguyên quý giá này Các hành vi gây ô nhiễm nước dưới đất phải được phát hiện, ngăn chặn, xử lý kịp thời thích đáng theo quy định của pháp luật

Mục tiêu

Nội dung

Phương pháp

Kế hoạch

Kết quả

Ứng dụng

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP

1.1 Khái quát về nước dưới đất

1.1.1 Khái niệm và cấu trúc nước dưới đất

Hình 1 Sự tang trử của nước dưới đất

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 3000C H2O

Hai 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 1H chiếm 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 Nguyênnhân là do hàng loạt các quá trình vật lý, hóa học, sinh học xảy ra khác nhau tạo

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).2

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 trộn lẫn nó với chất khác

b Một số tính chất của nước

- Nước thường và nước nặng có những tính chất vật lý khác nhau:

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

- 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:

- Nhiệt bay hơi của nước (540 cal/g) lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất khác, cho

nên nước được sử dụng rộng rãi trong các quá trình truyền nhiệt

- Nhiệt hòa tan của nước cao hơn các chất lỏng khác (trừ NH3) và tạo điều kiện giữ

nhiệt ở điểm kết tinh của nước

- Nhiệt dung riêng của nước (1cal/g.oC) cao hơn của các chất lỏng khác (trừ

NH3)

nên có thể ổn định nhiệt độ ở các vùng địa lý khác nhau

- Nước có thể đóng vai trò là một chất khử, chất oxy hoá:

2H2O - 4e ⇔ 4H+ + O2 E0 = - 1,230V

2H2O + 2e ⇔ 2OH- + H2 E0 = - 0,828V

- 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 Các loại nước dưới đất

* NƯỚC THƯỢNG TẦNG:

Nước thượng tầng nằm trên thấu kính không thấm nước có diện phân bố giới hạn

• Do điều kiện tàng trữ của mình, nước thượng tầng có những đặc điểm sau:

• - Diện phân bố bị hạn chế của mặt nước, thành phần, trữ lượng của nó phụ thuộc bởi khí hậu

• - Rất dễ bị nhiễm bẩn bởi các loại nước khác như nước thổ nhưỡng, nước lầy

• - Trong đa số trường hợp, nước thuộc loại này không thể làm nguồn cung cấp nước thường xuyên được

• Nguồn cung cấp cho nước thượng tầng là nước khí quyển (nước mưa, nước tuyết tan).

*NƯỚC THỔ NHƯỠNG

• Nước thổ nhưỡng là nước nằm trong lớp thổ nhưỡng Lớp thổ nhưỡng là phần trên cùng của vỏ phong hóa, trong đó thường chứa ít nhiều mùn do cây cỏ bị phân giải thành Loại nước này tồn tại dưới dạng: nước liên kết, nước mao dẫn, hơi nước Tất cả chúng đều tạo nên độ ẩm của lớp thổ nhưỡng, song chỉ có nước mao dẫn là giúp cho thực vật phát triển

• Khi khu vực ở vào giai đoạn mưa, trong lớp thổ nhưỡng còn có nước thấm lọc

và nước chảy rò Chính các loại nước này gây ra hiện tượngg rửa lửa thổ

nhưỡng Kết quả của các quá trình rửa lửa là một số cation như K+, Na+, Ca++, Fe++, bị mang xuống sâu, khỏi lớp thổ nhưỡng

• Trong những vùng mà mặt thoáng nước ngầm gần mặt đất thì lớp thổ

nhưỡng có thể nằm trùng với đới mao dẫn

*NƯỚC LẦY

Hiện tượng lầy hóa có thể xuất hiện trong những vùng sau đây:

- Tại những vùng có lớp cách thủy (sét) nằm gần mặt đất Lớp cách thủy này ngăn không cho nước ngầm hoặc nước khí quyển thấm sâu xuống phía dưới, làm cho phần đất trên cách thủy này luôn luôn thừa ẩm, gây ra lầy hóa mặt đất

MỘT ĐIỂM LỘ NƯỚC (HÀM THUẬN NAM-BÌNH THUẬN)

*NƯỚC TRONG CÁT VỤN BỜ BIỂN

• Trong các dãi cát, đụn cát ven biển thường có những tầng nước ngọt Bề mặt thoáng của tầng nước lượn theo bề mặt của đụn cát

• Nguồn cung cấp của nước ngọt là nước khí quyển, một phần ít hơn thì được thấm từ những vùng cao lân cận

• Các nghiên cứu đã xác định rằng, trong những đụn cát và đảo cát như vậy, nước ngọt sẽ dần dần được thay thế bằng nước mặn ở độ sâu nào đấy Ta

có thể xác định được độ dày của lớp nước ngọt này

• Giả sử lớp nước ngọt phân bổ đến độ sâu H so với mực nước biển và phần dâng lên của nước ngọt là h Khi đó, do tỷ trọng của nước biển trung bình bằng 1,024, còn nước ngọt bằng 1, nên ta có thể viết phương trình sau:

*NƯỚC NGẦM

• Nước ngầm là lớp nước đầu tiên kể từ mặt đất xuống Nó tàng trữ trong lớp

đá chứa nước (cát, cát kết), mà phía dưới là lớp đá không chứa nước (sét, phiến sét) Phía trên của lớp nước ngầm không bị phủ bởi lớp cách thủy, do đó bề mặt của nước ngầm thì thoáng, không có áp lực Nước ngầm thường không phân bố trong toàn bộ lớp chứa nước

• Bề mặt của nước ngầm gọi là gương hoặc là mặt thoáng của nước ngầm Lớp đất (hoặc đá) chứa nước ngầm gọi là lớp chứa nước hay tầng chứa nước Lớp không thấm nước phía dưới tầng chứa nước gọi là lớp cách thủy (lớp sét,

- Nước ngầm ở miền núi

*NƯỚC TỰ LƯU( NƯỚC

ACTEGI)

• Nước tự lưu là nước dưới đất

có áp lực và tàng trữ giữa 2

lớp vật liệu không thấm nước

Khi có lỗ khoan được đặt vào

tầng nước tự lưu, thì nước này

dưới áp lực của mình sẽ dâng

cao lên khỏi mái tầng chứa

nước, có khi dâng lên khỏi

mặt đất dưới dạng giếng phun

*NƯỚC KHE NỨT

• Nước khe nứt là nước tàng trữ trong các đá mácma, biến chất và trầm tích nứt nẻ

• Căn cứ vào nguồn gốc phát sinh người ta chia ra 3 loại khe nứt chính:

- Khe nứt kiến tạo liên quan với sự thành tạo các cấu tạo

- Khe nứt nguyên sinh liên quan với sự thành tạo đất đá

- Khe nứt phong hóa được tạo nên trong quá trình phá hủy đá khi phong hóa.Thường chúng ta gặp sự tổ hợp của 3 loại khe nứt trên Mức độ nước chứa của

đá nứt nẻ phụ thuộc rất lớn vào loại khe nứt và sự liên hệ giữa chúng với nhau

• Nước trong 3 loại khe nứt trên có mối liên hệ thủy lực với nhau, vì vậy mà trong nhiều trường hợp thành phần hóa học của chúng nhiều màu sắc

• Nguồn bổ sung của nước khe nứt chủ yếu là nước khí quyển Điều kiện

bổ sung phụ thuộc vào địa hình và đặc điểm của lớp phủ đệ tứ Nước khí quyển ngấm xuống mạnh nhất tại các vùng phân thủy, nơi các nứt nẻ lộ ra ngoài

• Khi thăm dò nước khe nứt nhất thiết phải nhớ rằng có thể giếng hay lỗ khoan xuyên qua bên cạnh các khe nứt chứa nước

*NƯỚC CASTƠ

• Nước Castơ là nước tàng trữ trong các hốc rãnh và hang động, được tạo nên trong các quá trình rửa lửa và hòa tan đá vôi đôlômit, thạch cao, anhydric, và các loại muối (muối ăn )

• Người ta đã xác định được các nhân tố chính gây ra các quá trình castơ như sau:

1 Sự có mặt các đá hòa tan như: đá vôi, đôlômit, thạch cao, anhydric, các loại muối

2 Độ nứt nẻ, độ lỗ hổng, độ thấm nước cả các loại đá ấy, tạo điều kiện để nước khí quyển, nước bề mặt ngấm vào đá

3 Các chuyển động thăng trầm của vỏ trái đất xác định sự phát triển hoặc ngừng phát triển castơ

4 Sự có mặt của các dòng nước chuyển động gây ra sự rửa lửa của đất đá

5 Cấu tạo địa chất chung, địa hình và khí hậu vùng phát triển castơ, làm tăng hoặc giảm quá trình castơ hóa

• Nước ăn mòn đá vôi diễn ra theo phương trình sau đây:

• CaO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2HCO3

-• Quá trình này sẽ không tiếp tục nữa nếu trạng thái cân bằng của phương trình không bị phá hủy Muốn cho quá trình tiếp tục diễn ra theo chiều từ trái sang phải, nghĩa là theo chiều nước tiếp tục ăn mòn đá vôi, thì những sản phẩm ăn mòn phải được mang đi Điều này được thực hiện bởi dòng nước trong

đó có castơ Nếu nước không ở trạng thái chuyển động thì quá trình cũng sẽ bị

“ngưng đọng” lại

1.2 Hóa học nước dưới đất.

1.2.1 Định luật tác động khối lượng

a Tốc độ phản ứng

Trong quá trình phản ứng nồng độ các chất phản ứng giảm dần còn nồng độ cácchất 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 mộtphản 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

Xét phản ứng: A = M + N

Tốc độ trung bình của chất A:

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

Xét phản ứng cân bằng:

Gọi k1 và k2 lần lượt là hằng số vận tốc của phản ứng thuận và nghịch Giả sửphản ứng thuận cũng như phản ứng nghịch đều thuộc loại đơn giản (nghĩa là phản ứng chỉ xảy ra trong một giai đoạn, bậc phản ứng riêng phần của mỗi chất bằng

hệ số tỉ lượng nguyên tối giản đứng trước mỗi chất trong phản ứng)

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 v1lúc đầu rất lớn, vận tốc phản ứng nghịch v2 bằng không Phản ứng càng xảy ra lâu,

bản chất của phản ứng), cho nên ứng với một nhiệt độ xác định (và một phản ứng xác định), ta có:

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

Tổng quát:

k1, k2 : đặc trưng cho hằng số tốc độ của phản ứng thuận nghịch, chỉ phụ thuộcvào 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

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:

Giá trị T càng bé thì chất điện li càng ít tan và ngược lại.

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

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

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:

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

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

- Với dung dịch có lực ion μ ≤ 0,01, hệ số hoạt độ f tính theo công thức:

- Với dung dịch có lực ion 0,01 < μ ≤ 0,5 thì hệ số hoạt độ f được tính theo công thức:

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

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-,

Một số ion ngậm nước khác có bán kính to lớn, đặc biệt ion H+ ngậm nước cóbán kính rất lớn: 9.10-8 cm

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

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

-Hệ số hoạt độ của các ion:

Hoạt độ của các ion:

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 SO4

2-Nguồn gốc nguyên thủy của các ion SO42- từ khí H2S Khi trong khí quyển xuấthiện 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 hàmlượng 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 ionK+ 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 vàig/l thì nó là ion chủ yếu có trong nước

ngầm,… (chứa axít cacbonic và các axít khác):

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca2+ + 2HCO3

-Nhưng khi trong nước có hàm lượng HCO3- cao sẽ diễn ra quá trình tạo kết tủa.Đây là nguyên nhân chính gây ra các nham trầm tích đá vôi

Các ion Ca2+, Mg2+ được hòa tan với hàm lượng lớn, chúng là các ion chính củanước thiên nhiên

Trong nước có độ khoáng hóa cao thì hàm lượng Ca2+ nhỏ hơn hàm lượng Mg2+.Trong nước đại dương, hàm lượng trung bình của Ca2+ chiếm 3,37% trong tổng cation; Mg2+ chiếm 17,62% (tính theo mđl/kg)

e Các ion HCO 3- , CO3

2-HCO3-, CO32- trong nước thiên nhiên có nguồn gốc từ khí CO2 trong khí quyển,trong không khí đất và khoáng cacbonat trên bề mặt trái đất, đặc biệt là trong nước có

độ khoáng hóa thấp

Trong nước lục địa, đặc biệt là nước có nguồn gốc khí quyển, nước ngầm trongcác thành phần tạo trầm tích cacbonat và nước có nguồn gốc macma, ion HCO3- có

hàm lượng lớn nhất trong các ion chính (ví dụ: nước khoáng Vĩnh Hảo, có hàm lượngHCO3- tới 2445mg/l) Ion HCO3- cũng là dạng tồn tại thường chiếm phần lớn trong hệ cacbonat của nước tự nhiên Ion CO32- trong nước(chỉ tồn tại ở pH ≥ 8,3) ít gặp hơn vànếu có, cũng thường có hàm lượng nhỏ hơn so với ion HCO3-, Cl-, SO42- Các ion này xuất hiện trong nước do quá trình hòa tan các muối cacbonat có tác dụng của CO2: 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:

1.2.3 Các hoạt tính hóa học

a Khái niệm về hoạt độ

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