Hoá nước (NXB xây dựng 2010) nguyễn văn bảo, 152 trang (1)

sách hóa nước nhà xuất bản xây dựng 2010 nguyễn văn bảo số trang 152 cung cấp kiến thức về hóa nước các thành phần trong nước cách xử lý phương pháp đo . cách thực hiện cách tính toán gợi ý đưa ra phuong pahap1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VĂN BẢO

HÓA NƯỚC

(Tải bản)

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG

LỜI NÓI ĐẨU

Hiện nay vấn để nước sạch và vệ sinh môi trưỜMỊ d.arig dược cả loài người trên trái đất rất quan tâm.

Ở Việt Nam, vấn đề ỏ nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước đang xẩy ra rất nghiêm trọng Vì vậy việc nghiên cứu chất lượng nước, xác định các chất gây ô nhiễm cho nguồn nước, từ đó đề xuất các plỉươníỊ pháp xử lí các nguồn nước bị ô nhiễm đ ể phục vụ cho kinh tế, dân sinh là rất cáp thiết.

Trường đại học Thủy lợi là turi đào lạo ra các kĩ sư xảy dựng các công trình trong nước, các kĩ sư quy hoạch, qiuin lí cúc công trình thủy lợi, qmàra li các nẹuồn nước nên môn học nghiên cứìt chất Ỉưựỉĩg nước là một môn học không thê thiẽìi dược trong chương trình đào tạo Ngay từ khi thành lập Khoa Thủy ván - Mõi trường íCỈua Trường đại học Thủy lợi đã hình thành môn học này.

Qua hơn 30 năm giảng dạy, cuốn giáo trình Hóa nước dã dược các giáo viên trong Bộ môn Hóa biên soạn và cho xuất bản nhiều lần Đến nay, do vêu cầu cần phải phát triển của môn học, chúng tôi dã biên soạn lại dê đáp ứng yêu cầu về giáo trình của sinh viên Cuốn giáo trình Hóa nước gồm 2 phún:

Phần ì : Hóa học chất lượng nước Phun này nghiên cihii các nguyên nhân hình í hành thành phần hóa học của các níịuồn nước và phư<mịỉ pháp (lánh giá chất lượng các nguồn nước.

Phần 2: Hóa học phán tích định lượng Phần này cu ng cấp những kiến thức cơ bản vê phân tích định lượng nhấm xác định hàm lượng các chất thành phần có trong nước.

Đ ể hoàn thành cuốn giáo trình này, chúng tói đã được các giáo viên trong và ngoài Bộ môn Hóa học nhiệt tình qiúp dỡ, góp ý về nội dung, hình thức cuốn sách Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó.

Chủng tôi cũng xin cảm ơn các bạn dộc già về các ỷ kiến dóng góp cho cuốn sách đ ể lần xuất bản sau dược hoàn thiện hơn.

Tác giả

clạng hưi và mây Lượng nước hoá hơi hùng năm khoáng 500.000 km ’ và quay trờ lại các lục địa vào khoang 120.000 km \

Nước ctồno nghĩa với cuộc sốim sinh vật Đó là phán lớn nhất của vật thể sôns Nó chiếm trung bình khoáng 80% ơ động vật cao cấp nước chiếm khoáng 60 -í- 70%, các sinh vật dưới biên như sứa biển, một số loại táo nước chiếm đôn l)0% Ngược lại, trong các vi khuân bào tứdạim bền vững thì lượng nước chi chiêm khoang 50%.

N ư ớ c là y ế u lổ q u a n t r ọ n g nhất troiìií tho giới khoán Sỉ chài và s in h học H iệ n n a y , n h u cầu sử dụng nước trong công nghiệp, nônạ nghiệp và sinh hoạt là rất lớn, tính bình quân thì

I người trong 1 năm dùng khoán” 250 m nước.

Nhu cầu sử dụng nước ờ các nước có trình dộ phát triển khác nhau cũng khác nhau Tính

t h e o đ ầ u Iiiurời c h o ] n á m thì nhu cầu này ớ các nước đang phát triể n là 100 m ' t r o n g khi ớ

Mỹ là 15()0m Điều đó nói lèn ran2 cùng với sự phát triến của xã hội thì nhu cầu sử dụng nước cua con người khóna n sừn Sĩ lãníi lèn.

Do vậy một yêu cầu dặt ra là phái báo vệ ntiuỏn nước, phái xứ lý nó trong bất kỳ trường liựp nào đế có nước sạch cung cấp cho các nhu cáu cùa xã hội hạn chế chất thai ỏ nhiễm vào mòi trường tư nhiên.

§1.1 THÀNH PHẨN CỦA NƯÓC

1.1.1 Nước thường và nước nặn"

Nước là một hợp chất mà thành phán chi có hai imuycn tố là hydro và oxy kết hợp với nhau Iheo tỷ lê sò nguycn tư là 2 :1 Nhưng hvdro có 3 đóna vị:

Nước HiC) có M = 18 đvC là nước thường, chiếm 99.8%.

Nước có M > 19 là nước nặns, chiếm 0,2%,

Nước thường và nước nặng có những tính chất vật lý rất khác nhau.

H ị 0 l6(D20 )

d = 1.1056 (277°K) 276.8"K 374,42"K 284,6"K

1.1.2 Sự phán bỏ nước nặng trong tự nhiên

Hàm lượng các loại nước nặng trong tự nhiên phân bô lất khác nhau Nguyên nhân của

sự phân bố khác nhau là do rất nhiều vếu tố Đó là do hà nu loạt các quá trình vật lý, hoá học và sinh học xấv ra khác nhau tạo ra sự phân bô các đồng vị của hydro và oxy khác nhau dẫn đến việc tạo ra lượng các loại nước nặng khác nhau.

Thông thường các quá trình bay hơi, các quá trình nước kết tinh đều làm tỷ lệ nước nặng tăng lên.

§1.2 CẤU TAO VÀ TÍNH CHAT CỦA NƯỚC

1.2.1 Cấu íạo của nước (H20 ; M = 18)

I Cấu tạo phán tử

Công thức phân tử: H20

H có z = 1 ; ls'

o có z = 8 : ls22s22p4

ŨC = 105°

Vì vậy phàn tứ nước gồm 2 liên kết G là o

s - p có dạng:

Trong nước, các phân tử nước thường khỏno tồn

tại riêng rẽ mà tạo thành từng nhóm phân tử bới các 11

liên kết hydro:

mH20 ^ (H20 ) m có AH < 0 Giá trị của m thay đổi theo nhiệt độ: ớ thể hơi m = 1 ớ thế rắn (nước đá) m = 5

2 Mờ men lưỡng cực của nước

Phàn tử nước là một phân tứ phàn cực có hai truna tám tích điện âm, dương riêng biệt.

Đế dặc trưng cho sự phân cực của phàn tứ nsười ta đưa ra khái niệm mỏmen lưỡng cực phân lử, ký hiệu là |a:

Ị.I = /.e Tron2 đó:

c - điện tích cùa electron bằng 1.6.10''"C: /

/ - độ dài lưỡng cực tính theo mét.

Đôi với phân từ nước:

Nưức có thể tồn tại ờ the rắn thô lỏns hoặc the hoi.

0 áp SLĨÚ khí quyến là 1 atm nước dóniĩ đặc ờ ơ c , sôi ờ I00"c.

Ớ nhiệt dộ thường, nước tổn tại ứ the lóne Phán tư nước có mómen lưỡng cực cao, hằng

sỏ diện mòi cao khối lưựim riôiiíỉ 1 ka/lít nhiệt dunsz ricnsi 1 cal/g."C, nhiệt bay hơi MOcal/a sức căne bề mặt cua nước là 73 dvn/cm ’ \'à độ nhứt là 0,01 poise ớ 20"c.

- Độ hoà tan của các khí vào nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất Nói chung clộ hoà tan khí trong nước tăng lên khi nhiệt độ giám và áp suất tăng.

- Sức căng bề mặt của nước lớn hơn sức cãng bề mặt cúa các chất lỏn2 khác, điều nàv giúp ta kiếm tra các yếu tỏ về mặt vật lý, điều chính giọt và hiện tượng bể mặt.

- Nước không có màu, trong suốt, cho ánh sáng và sóng dài đi qua giúp cho quá trình quang hợp có thể thực hiện ứ độ sâu trong nước.

- Nước có khối lượng 1'iêng tối đa ở 4"c, do vậy mà bãng nổi trên mặt nưức, sự tuần hoàn của nước theo phương thắng đứng và giám hiện tượng phân tầng.

- Nhiệt bay hơi cúa nước lớn hơn nhiệt bay hơi cúa các chất khác, cho nên nước được sứ dụng rộng rãi trong các quá trình truyền nhiệt.

- Nhiệt hoà tan của nước cao hơn các chất lỏng khác (trừ NH,) và tạo điều kiện giữ nhiệt

ổn định ờ điểm kết tinh của nước.

- Nhiệt dung riêng của nước cao hơn của các chất lỏng khác (trừ NH,) nên có thế ốa định nhiệt độ ớ các vùng địa lý khác nhau.

1.2.3 Tính chát hoá học của nước

1 Nước dung môi

N ă n g lư ợ n g tạ o th à n h p h à n tử nư ớ c là rất c a o (5 8 k c a l/ m o l ) T ừ đ ó SUY ra r ằ n g n ư ớ c c ó tính ổn định cao Kết hợp với tính chất về điện và cấu trúc phân tử nước, nước là dung môi rất tốt đế hoà tan nhiều chất Phần lớn các khoáng chất rắn, chất lóng, chất khí và các chất hữu cơ có thể hoà tan được Irong nước.

2 Nước là chất kh ử hoặc chất oxy hoá

2 H ,0 + 2 2()H + ỉl.

T h í dit: Na + i l o = N aO H + 1 n

N ư ớ c c ó thể v ừ a là c h ấ t o x v hoá vừa là c h ấ t k h ử (tự o x v lioá khử):

3 Sinh hoc nước

a i N i í ớ c v à s ự ỉ r a o d ô i c h ú t c u a l e b à o

Một sỏ tế bào có khá năng tổn2 hạp từ khí COt HtO và muối khoáng thành các chất riêng biệt Đó là các tế bào tự dưữnu dùna năng lượng cần thiết trong mỏi trường ngoài (quane năng hoặc hoá năng).

N a ư ự c lại c á c t ế b à o dị d ư ỡ n g c ó kha năng p hân [y và oxy h o á to á n h iệ t ờ c á c c h ấ t đơ n

g iản đ ẽ p h ụ c vụ n h u c ầ u s ố n g , vận ch u y ế n , sinh san c ù a các tè b à o đó

T á t c á c á c q u á trìn h tra o đổi c h á t đó phái th ò n g q u a nước, h a o g ồ m :

♦ C á c q u á trìn h đ ổ n g ho á : g ồ m các quá trình q u a n g hợ p và q u á t r ìn h o x y ho á k h ử c á c

k h o á n g c h ấ t;

* Các quá trình dị hoá và lên men: Sự phân huý các hợp chất hữu cơ thực hiện nhờ sự khu h v d r o tro n g t ế b à o dị d ư ỡ n g

S ự k h ứ n à y c ầ n o x v gọi là ưa k h í (háo khi) Sự k h ử c á n hvdi'0 thì gọi là dị k h í ( y ế m khí)

b) Nước lả tran í; râm cuộc sôììi’ cua vi kluiấn

Y họ c và s in h h ọ c đ ã biết rõ vai trò của nước tro n g việc xu ấ t h iệ n và t r u y ề n m ộ t s ố bệnh

Đ iề u đ ó d ã d ư a đ ế n việc ph á t m in h và đ ó n g nhất h oá m ộ t tập h ợ p vi s in h đ ơ n b à o c ó m ặt

t ro n g n ướ c T r o n g n ướ c, c á c vi k h u â n giữ vai trò đ ặ c biẹt q u a n trọ n g

§1.3 S Ự H O À T A N C Á C C H A T T R O N G NUỚC

1.3.1 Sự hoà tan chất rán trong nước

/ Quá trình hoà tan

N h ư c h ú n tỉ ta d ã biết, s ự h oà tan chất rắn trong nư ớ c g ồ m hai q u á trình: lý h ọc và h oá

h ọ c ( h v d ra t hoá)

Q u á trìn h lv h ọ c th ư ờ n g thu nhiệt: A Hị > 0

Quá trình hvdrat hoá thường toá nhiệt: ,\H i < 0

Nhiệt của quá trình hoà tan là AH:

AH = AH| + ÀH2Nếu AH > 0 thì quá trình hoà tan là thu nhiệt.

Nếu AH < 0 thì quá trình hoà tan là toả nhiệt.

AH gọi là nhiệt hoà tan đó là lượng nhiệt toả ra hay thu vào khi hoà tan 1 mol chất tan vào nước.

3 Dung dịch bão hoà

Khi hoà tan một chất rắn vào nước bao giờ cQng đạt tới trạng thái càn bằng hoà lan:

4 Dung dịch quá bão hoà

Dung dịch quá bão hoà là dung dịch chứa lượng chất tan lớn hơn độ hoà tan của nó ớ nhiệt độ xác định.

Đặc điếm cùa dung dịch quá bão hoà là không bền Một dung dịch quá bão hoà khi có mầm kết tinh hoặc bị va đập khuấy dáo sẽ có hiện tượng chất rắn kết tinh Lượng chất rán kết tinh phụ thuộc vào lượng quá bão hoà cùa dung dịch đẽ cuối cùng thu được dung dịch bão hoà.

Thí dụ: Dung dịch NaCl

Ớ T, có độ hoà tan s,;

Ở T2 có độ hoà tan s 2;

Giá thiết T , > T | thì s 2 > S|.

Nhưng nếu ta có dung dịch NaCl ỏ' T| lại chứa lương chất hoà tan là s 2 thì đây là dung dịch quá bão hoà Lượng chất tan có thế kết linh là m = s2 Sj để ớ T| thì dung dịch có độ hoà tan là Sị lúc này dung dịch ớ trạng thái bão hoà.

1.3.2 Độ hoà tan chất khí trong nước

Đ ộ hoà tan của một chất k h í trong nước phu thuộc vào bán chất của chất khí, nhiệt độ của nước, độ khoáng hoá của nước và áp suất cùa chát khí dó.

Thi dụ: Ở 10' c độ hoà tan của một sỏ khí dưới áp suất riêng phần của chúng là lOOkPa

(100kN/m2) được thể hiện tren báng 1.2.

Báng 1.2 Độ hòa tan của một số chất khí dưới áp suất riêng phần lOOkPa

1 Ả nh hưởng của áp suất đến độ hoà tan của chất khí

Sự phụ thuộc cùa độ hoà tan của chất khí vào nước và áp suất ricng phần của khí đó trên mặt nước tuân theo định luật Henry: Độ hoà tan của một chất khí trong chất lỏng ớ một nhiệt độ không đổi tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần cúa khí đó tác dụng lên chất lóng, Gọi S; là độ hoà tan của khí i, tính bầng mg/1.

Và Pj là áp suất riêng phần của khí i, tíiìlì bảng N/111' thì.

s, = k p, Trong đó: k là hệ số tỷ lệ hay gọi là hằng sỗ Henry, phu thuộc vào bản chất chất khí và nhiệt độ.

Giá trị của k phụ thuộc vào nhiệt độ của một số khí được ghi ớ bảng 1.3.

Thí dụ: Xác định s của 0 2 ờ 283"K dưới áp suất p = 0,2163.105 N/m2.

Tra báng: k = 52.13 1CT5

s = 52,13 10'5 0.2163.1 o5 * 11.3 mg/1.

2 Ả nh hưởng của nhiệt độ đến độ hoà tan của khí trong nước

Hoà tan chất khí trong nước sẽ lập được một cân bằng:

Khí trên mặt nước ^ Khí hoà tan, có AH < 0

N h ư vậy khi n h iệ t đ ộ t â n g thì đ ộ hoà tan c á c k h í trong nước g ia m

M u ố n c h o k h í h o à tan ra hết khỏi nước (giải hấp) ta c ổ thê d ù n g m ộ t tro n g hai h i ệ n p h á p

là lăng n h iệ t đ ộ c ù a nướ c h o ặ c g iám á p suất c u a k h í trôn bề m ật nước

3 A n h h ư ở n g c ủ a độ k h o á n g h o á c ủ a n ư ớ c tói độ h o à tan c ủ a k h í

T h ô n g th ư ờ n g k hi đ ộ k h o á n g h o á c ú a nước t ã n s lên thì đ ộ ho à ta n c ủ a c á c k h í g iá m

Thí dụ: Đ ộ hoà tan của 0 2 sẽ giám đi 25% khi tăn° lưọiie muôi hoà tan trong nước tới 40 «/1.

1.3.3 Độ hơà tan của chất lóng í rong nưức

P h â n tử n ư ớ c là p h à n tử p h â n cực C ác c h ấ t l ỏ n g p h â n cự c t h ư ờ n g đ ẽ ta n t r ũ n g nư ớ c

Tlií dụ: P h â n tứ c ó n h ó m O H (rượu), n h ó m HS N H : rất dễ tan tro n g nước.

Báng 1.3 Sự phụ thuộc cúa hàn" sỏ Henry (k) vào nhiệt độ

Nhiệt đ ộ ("K)

k( ) 2 (X 1 0 " ) C 0 2 (X 1 0 " ) I I ; S(X 10 - )

Tuy nhiên hai chất lóng có thế có tính trộn riêng từnu phần Hệ nước-phênol nước- anilin không hoà tan vào nhau ờ nhiệt độ thường nhưng ổ nhiệt độ tới hạn và lớn hơn tới hạn chúng lại hoà tan được vào nhau.

§ 1.4 Đ ỊN H L U Â T T Á C D U N G K H Ố l LƯ Ợ NG

1.4.1 Tốc độ phản ứng

Trong dun° dịch nước xảy ra phán ứng đồng thể:

mA + nB ^ pC + qD Trong đó:

A, B c , D là những chất tham gia và được tạo thành,

m, n p q là hệ sô của chúng trong phương trình.

Tốc độ của phàn ứng được xác định theo biểu thức:

V = K[A]'"[B]"

dt Trong đó:

K - hằng sỏ tốc độ, phụ thuộc vào bán chất các chất trong phán ứng và nhiệt độ.

[A], [B] - nồng độ mol/1 ớ thời điểm khảo sát.

Đ ô i với phản ứng xác định, ờ nhiệt độ xác định thì K c = const

K đặc trưng cho trạng tluíi càn bằng cua phán ứng thuận nghịch.

1.4.3 Hằng sò điện ly

1 Chất điện ly đơn bậc

Giả sử có chất điện ly yêu HX.

Trong nước chúng phân Iv theo phương trình:

Đối với chất điện ly yếu xác định, ớ nhiệt độ xác định thì K||X = const.

Như vậv Kị|X đặc trưng cho kha nàng điện ly của các chất điện Iv yêu.

K||X càng lớn thì khá năng phân lv càne cao chất điện lv càng mạnh và ngược lại.

1.4.4 Tích sôi hoà tan

I Tích sô hoà tan

Xét chất điện ly ít tan MmXn.

Trong nước chúng hoà tan theo phương trình:

M X ÍTÌ lì ^ mMn+ + nXm~

ơ thời điếm càn bằng hoà tan thì dung dịch dạt tới trạng thái bão hoà và khi đó

|M n+|m|X m ]n = T1 'in''n m V đươc goi là tích số hoà tan của* 11

ơ nhiệt độ xác định, với chất xác định thì tích số hòa tan T = const.

Tích sỏ hòa lan T đặc trưng cho khá năng hoà tan của các chất điện ly ít tan trong nước Tích sô hoà tan T càng lớn thì khả nãng hoà tan càng cao và ngược lại.

Thí dụ:

^AgCI = 1 7 1 0 “ 10

TIhsolỉiU>v./_Ị = 1,08.10 1 TcaCO; = 3.6.10-9

T - \ g : S = 1.0.1CT51 Tle(Oil) = 3.8.10“38

2 Quan hệ giữa tích sô hoà tan và đó hoà tan

Xét chất điện ly ít tan MmXn.

MmXn ^ mMn+ + nXm Gọi độ hoà tan cùa MmXn ở nhiệt độ nào đó là s (mol/1) thì khi cân bằng (dung dịch bão hoà) ta có:

[Mn+] = mS (mol/1) [Xm ] = nS (mol/l) TMmxn = [Mn+]m.[Xm ]" = (inS)m.(nS)n

§1.5 HOẠT ĐÔ CỦA CÁC ION TRONG DUNG DỊCH

1.5.1 Hơạt độ và hệ sỏ hoạt độ

Trong dung dịch các chất điện ly, ngoài sự tác dụng giữa các ion với các phân từ duntĩ môi còn có sự tác dụng tương hỗ giữa các ion Sự tác dụng tương hỗ này càng lớn khi điện tích các ion càng lớn và nồng độ của chúng càng lớn.

Sự tương tác trên cản trở sự hoạt động cùa các ion trong dưng dịch Vì vậy một cách chính xác hơn trong hoá học người ta chú ý đến nồng độ hoạt động của các ion trons dung dịch thay cho đại lượng nổnạ độ gọi tắt là hoạt độ.

Thực chất cùa hoạt độ là nồng độ hiệu dụng cúa các ion trong dung dịch.

Người ta ký hiệu nồne độ là c, hoạt độ là a.

Quan hệ giữa c và a được xác định bằng công thức:

a = f c

Trong đó: f là hệ số tỷ lệ, được gọi là hệ số hoạt độ của các ion Giá trị của f: ()< !'< 1.

T hự c t ế c h o th ấ v n ồ n g đ ộ c ủ a c á c ion tro n g d u n a d ịch c à n g lớn thì s ự tư ơ n g tác tư ư n a hó giữa chúng càng mạnh, sự khác nhau giữa a và c càng lớn, f càng nhỏ và naược lại.

Như vậy hệ sô hoạt độ phản ánh sự lương tác tĩnh điện giữa các ion có trong dung dịch Khi dung dịch rất loãng ta coi f S8f i thì a = c.

Để nâng cao độ chính xác khi tính toán chúng ta phải thav giá trị nồng độ các ion trong dung dịch bằng giá trị hoạt độ của chúng và chỉ khi nào dung dịch rất loãng mới tính toán trực tiếp bằng nồng độ.

Trong nước tự nhiên, nồng độ các ion thường rất nhỏ (< 200 ing/1) nên sự khác nhau giữa a và c ihưừng không lớn Nhưng dổi với nước cỏ độ khoáng hoá rất cao (> 500 ing/1) thì sự khác nhau giữa a va c lại là lớn Vì vậy khi sứ dụng các đại lượng c hoặc a trong tính toán phải chú V khi nào có thê dùng c , khi nào phai dùng a để kết quả tính toán được chính xác.

Giả sứ trong dung dịch có n loại ion được kv hiệu lừ 1 2 n.

Mỗi loại ion có nồng độ tương ứng là C| C2 Cn và điện tích tương ứng là Z |, Z2 Zn Khi đó |.i được tính theo công thức:

// = - ( C ,Z ? + C2ZỔ + + Cn/ ị )

i - ỉ

Thí dụ: Xác định lực ion f.i của dung dịch hỗn hợp HC1 0.1M và CaCl, 0,2M.

Giải: HC1 và CaCl2 trong dung dịch coi Ci = 1.

HC1 = H+ + c r CaCl2 = Ca2+ + 2C1~

[H+] = 0,1M; [Ca2+j = 0.2M; [C f ] = 0.1M + 0,4M = 0,5M

// = — (0.1 l2 + 0.5.12 +0.2.22) = 0.7 ' 2

Vì điện tích của các ion là không đối hàm lượng các ion trong nước thường được tính bằng mg/1 nên người ta có thế chuyển đổi công thức tính Ị.I trên bằng công thức:

// = — (C|K| + C2K2 + + CnKn) Trong đó:

c , c2 Cn - nồng độ mỗi loại ion tính theo mg/1.

K |, K 2 ■■■ K n - h ệ s ố tỷ lệ c h u y ế n đổi được tính san

1 • Ị

Giá trị Kn được tra ờ bảng 1.4.

Báng 1.4 Giá trị hệ số ti lệ chuyên đổi Kn

Trong dung dịch các chất điện ly, người ta khỏng thể xác định được hệ số hoạt độ tuyệt đối của từng ion riêng biệt mà chỉ có thể xác định được hệ số hoạt độ trung bình của từng loại ion.

Thí dụ: Chất điện ly AmB„ có hệ số hoạt độ trung bình là:

2 Cách tính hệ sô hoại độ

Như vậy, đối với cation hoặc anion có cùng điện tích chứa trong cùng một dung dịch và

có cùng lực ion (J sẽ có hệ số hoạt độ bằng nhau.

Công thức thực nghiệm tính hệ số hoạt độ f phụ thuộc vào giá trị của fi (ở 298°K) như sau:

- Khi \JL < 0,01, hệ số hoạt độ f tính theo công thức:

Igf = - 0 , 5 z2 yfjũ

Trong đó: z là điện tích của ion.

Đối với dung dịch rất loãng thì —> 0 nên f = 1.

- Khi 0,01 < |i < 0,5 thì hệ số hoạt độ f được tính theo công thức:

- Khi H > 0,5 thì hệ số hoạt độ f được tính theo công thức:

Trong đó:

r - bán kính ion tính theo cm;

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

Thí dụ: Tìm hệ số hoạt độ của các ion trong dung dịch NaCl 0,01 M.

Người ta cũng cỏ thể dùng bảng tính sẵn hệ sô hoạt (lộ f của các ion điện tích 1*2, 3 ứng với các dung dịch có Ịi khác nhau.

Như vậy ta có thể căn cứ vào giá trị của |i, điện tích của ion mà tra ra giá trị của f như trên bảng 1.5.

Báng 1.5 Xác định hé sỏ hơạt động f theo Ị.I và điện tích ion

CaCO, ^ Ca2+ + CO;

f = f = fCa" CO ìnên ta có: TCaC(); = [c ° 3 ]2-f2

Trong dung dịch [Ca2+J = [ C O3 ]

1 + VO, 0 3 6

f = 0,48

[CO3 1 = —1-^ = 12,5.10 5 M = 7,5m g/1

0 4 8Nếu không tính theo hoạt dộ mà chí tính theo nồng độ thì việc có mật Mg2+ và C1 khòng ảnh hưởng gì đến khả năng hoà tan của CaCO„ do vậy:

r c o ị h = v'T = yỊĨ,6.1 ( r 9 = 6.10‘5 = 3.6 mg/1

Từ đó chúng ta thấv rằng khi tính theo hoạt độ, do ảnh hướng của Mg2+ và C1 mà độ hoà tan của CaCO; tãng lên Đặc biệt, ion có điện tích cao sẽ tạo ra các trường lực nạnh, càng làm tăng độ hoà tan của CaCO,.

Như vậy, sự có mặt cúa các ion lạ trong dung dịch sẽ làm tăng thêm độ hoà tan của muối Các ion lạ có điên tích càng cao thì độ hoà tan của muối càng tăng.

Những công thức ớ trên cho phép chúng ta tiến hành tính toán với độ chính xác khá cao khi nồng đ ộ c á c ion < 5 0 m 3 g / l v à c h o kết q u ả t ư ơ n g đối c h ín h x á c khi n ồ n g đ ộ các ion khòng vượt quá 100 m3g/l.

3 Tính a + và pH của dung dịch HCN 0,01M, biết a = 0,03.

4 Tích số hoà tan của Mg(OH)-Ị là 1.10'9

Hãy tính hàm lượng của các ion có trong duna dịch bão hoà Biết rằng trong dung dịch bão hoà đó có chứa CaClo 0,0IM.

T H À N H P H Ầ N H O Á H Ọ C C Ủ A N Ư Ớ C T H I Ê N N H I Ê N

§2.1 THÀNH PHẦN NƯỚC THIÊN NHIÊN

Nước tự nhiên chiếm ỉ% tổng lượng nước trên trái đất bao gồm nước ở các sõng, hồ,

nước bể mặt nước ngầm .

2.1.1 Tính chất phức tạp của thành phần nước thiên nhiên

Chu trình của nước thiên nhiên:

Hơi nước ^ Nước

Ó thể hơi nước tiếp xúc trực tiếp với không khí Ngay khi hình thành những giọt nước nhỏ li ti trong khí quyển thì những giọt nước này đã hoà tan một số khí có trong khống khí, hoà tan các chất có trong bụi bẩn của không khí

Khi những giọt nước tụ lại thành hạt nước mưa rơi xuống đất thì trong quá trình di chuyển, nó tiếp xúc với đất, đá, các sinh vật Do có khả năng hoà tan rất nhiều chất trong

nó nên thành phần hoá học của nước thiên nhiên rất phức tạp,

Như vậy, thành phần của nước thiên nhiên phụ thuộc vào khu vực có nước, địa hình, địa chất, thời tiết, khí hậu, dân cư mà nó chảy qua.

2.1.2 Thành phần chung của nước thiên nhiên

Thành phần chú yếu nhất của nước thiên nhiên bao gồm:

- Các ion: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, H+, c f , S O j\ HCOJ

- Các khí hoà tan: Oi, C 0 9, H2S

- Các thành phần vi lượng khác: Br , I , F , HPO4 , H ,P Ơ4, S1O3” , HS , HS1O3, CH4, Nj

- Các chất hữu cơ.

Cần chú ý rằng trong nước thiên nhiên hàm lượng ion H+ rất ít nhưng nó có một vai trò rất quan trọng Hàm lượng H+ có vai trò đặc biệt trong các quá trình hoá học, các quá trình sinh học trong nước thiên nhiên Bảng 2.1 cho biết thành phần hóa học của nước sông, hồ.

Chương II

Báng 2.1 Thành phán hoá học trung bình cùa nước sòng, hồ

T hành phần rr trong lượng ■ Thành phần % trọng lượng

1 Quá trình hoá học

Quá trình hoá học xảy ra Irone nước rất da dạng, trong đó có một số quá trình chủ yếu sau:

- Q u á trìn h : h o à tan chất rắn — - chất rắn k ế t linh

- Quá trình: hấp thụ khí ^ aiai hấp khi

- Sự trao đổi chất giữa các chãi ran với các chất có tro nu nước.

- Sự cán bằng giữa thể khí với các ịon trong nước.

- Các quá trình oxv hoá khử.

2 Quá trình sinh hoá

Các quá trình sinh hoá trong nước chu yếu gồm:

- Các sinh vật sống trons nước trao đói CO-, (),: các quá trình quang hợp tạo nên các chất hữu cơ

- Các quá trình phàn giái các hợp chất hữu cơ tạo ra CO: H2S SO4 , NO3, NOi .

- Quá trình mưa, tan bãiig tuyết sẽ làm giảm nồng độ các chất trong nước;

- Quá trình trộn lẫn các nguồn nước khác nhau cũng làm thay đối thành phần hoá học của nước

2.2.2 Sự tác dụng tương hỗ của nước với môi trường xung quanh

Khi nước tiếp xúc với các chất trong môi trường xung quanh sẽ xảy ra các tác dụng tương hỗ lản nhau Sự tác dụng tương hỗ này có thể làm tăng hàm lượng các chất trong nước, có thế làm giảm hàm lượng các chất trong nước và cũng có thê làm thay đổi thành phần hoá học cùa nước thiên nhiên Chúng ta sẽ nghiên cứu một số tác dụng tương hỗ điển hình.

l Đ á

Khoáng là những chất vô cơ rắn, có cấu tạo hoá học xác định và có những tính chất đặc biệt Một tập hợp các khoáng được gọi là đá.

Ở vỏ ngoài của trái đất tồn tại ba loại đá chính: đó là đá macma (95% nhóm đá), đá trầm

tích (1%) và đá biến chất (mentamorphic 4%) Quan hệ tương hỗ giữa chúng được biểu

diễn như sau:

Sự biến đổi và phân huỷ đá trong vỏ trái đất do ảnh hường qua lại giữa khí quyển, thuỷ quyển và sinh quyển được gọi là quá trình phong hoá Phong hoá có thể là kết quả của quá trình vật lý, hoá học hay sinh học.

a l) Quá trình phong hoá vật lý

Quá trình phong hoá vật lý là quá trình làm vụn đá do sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ

do hệ số giãn nớ nhiệt khác nhau của các khoáng chất cũng như do sự tăng áp suất trong

quá trình kết tinh của đá Gió xói mòn băng hà có thè đồng thời là những yếu tố dẫn đến quá trình phong hoá cúa đá.

Các quá trình phong hoá trên hình thành nén các chất nát vụn như cát, đất, sét tan trong nước làm thay đổi thành phần hoá học của nước.

a2) Quá trình phong hoá sinh học

Quá trình phong hoá sinh học là quá trình làm thav dối hệ thông sinh học (thực vật và động vật) trong đát Sản phẩm phán huy của nhữna hệ thông này qua những thay đổi xác định sẽ dẫn tới sự thay đổi sinh học cúa môi trường xung quanh và như vậy chúng làm thay đổi thành phần hoá học của nước trong môi trường đó.

a3) Quá trình phong hoá hoá học

Quá trình phong hoá hoá học bao gồm hàng loạt những quá trình hoá học tương đối đơn gián như hoà tan và kết tinh, sự thuv phân, cacbonat hoá - khử và oxyhoá Trong thực tế các quá trình nói trên hầu như luôn luôn có những tác động theo cơ chế tổng hợp trong đó nước và những thành phần của khí quyển là những chất tham gia phản ứng.

Thành phần của các chất tham gia phàn ứn° chịu ánh hưởng của địa hình và giá trị pH của nước (thường vào khoảng 5,65) ớ những vùng cliịu tác động của các chất ô nhiễm như các chất NO, NO,, S 02 giá trị pH còn thấp hơn từ 1 đến 2 đơn vị.

Dưới đây chúng ta nghiên cứu một sỏ quá trình phong hoá hoá học.

• Quá trình hoà tan chất kết tinh

Sự hoà tan các chất có trong dá khi tiếp xúc vói nước phụ thuộc vào độ hoà tan của các chất đó.

Các muối halogen của các kim loại kíềin như NaCI, KC1 thường có độ hoà tan tương đối cao, chẳng hạn NaCl ở 25nc có độ hoà tan s = 6,15 niol/kg nên chúng hoà tan rất mạnh trong nước.

SiO, là thành phần chính của địa quyển có thể tự hoa tan theo phản ứng:

SÍ02(R)+ H20 "

Ở điều kiện bình thường, các silicat tự hoà tan theo quá trình trên rất ít, chừng

7 10'5 mol/kg, nhưng trong môi trương kiém độ hoà tan của các silicat sẽ tăng lên.

Quá trình hoà tan của các hydroxvt kim loại diễn ra theo phương trình:

M ( O H ) mR) ^ M ^ + n O H ^ ị

Hoặc tạo thành phức chất dạng:

M(OH in(lỉ) + mOH — [M(OH)n+mf

-Các quá trình trên phụ thuộc rất nhiều vào độ pH của nước Giá trị pH này có thê làm các chất hoà tan nhiều hoặc kết tinh nhiều Điều đó làm thay đổi thành phần hoá học cúa nước.

• Quá trình phong hoá do C 02

Quá trình phong hoá do CO: hay quá trình cacbonat hoá là quá trình phán ứng hoá học của các chất trong vò trái đất với sự tham gia của nước và ccx Một thí dụ điến hình về quá trình phong hoá đá vôi có dạng sau:

c ạ + h 20 ^ h* + h c o ;

CaCO, + H+ ^ Ca-+ + HCO, CaCO; + CO, + H ,0 ^ Ca2+ + 2HCO3Phán ứng này mô tả một cư chế phong hoá rất phổ biến Hăng số cân bằng cua phán ứng trên ớ 25"c là:

Khi PCOi = lkPa thì nồng độ Ca2+ là 1.6.10 3 mol/kg (63 mg/1).

Nếu trong khí quyển chi có CO-, ớ áp suất thường thì nồng độ C a'+ là 7,3.10 ? rnol/kg (294 mg/1).

Phán ứng của c o 2 và nước với các chất trong vỏ trái đất như Mg, Na, K cũng xáv ra tương tự.

Như vậy quá trình cacbonat hoá dã cung cấp cho nước tự nhiên các cation kim loại có trong đá và các anion mà chú yêu là anion HCO3.

• Quá trình thuỵ phân

Thuỷ phân là dạng đặc hiệt của quá trình phân ly ion được mo tả như là phán ứniĩ giữa nước với các dạng khác nhau cùa đá, dẫn tới việc phàn tách liên kết OH trong phân tứ nước Các dạng oxít của các kim loại trong đá Ihường bị phong hoá theo quá trình này.

4KA1Sì308 + 22H20 -> A14Si4()i0(OH)x + 8H4Si04 + 4K+ + 4 0 H “

Trong quá trình phong hóa, pH của mõi trường nước xung quanh có tăng lên nhưng không tới mức trung hoà bới các thành phần axít cỏ nguồn gốc vỏ cơ hoặc hữu cơ.

• Quá trình phong hoá oxy hoá - khử

Các quá trình phong hoá oxỵ hoá - khử chù yếu xảy ra giữa oxy và các loại đá có chứa các hợp chất sunfua.

Các loại suníua thường gặp là: pyrit: FeS7; galcnit: PbS: chalcopyrit: CuFeS2; sphalerit: ZnS

Quá trình oxy hoá của các suníua bị hạn chế bời khả năng thấm sâu cùa oxy Với một điều kiện thuận lợi nào đó, vùng oxv hoá có thế ăn sâu đến vài trăm mét Lúc nàv nguồn oxy chính là do oxv hoà tan trong nước thấm xuốns và giới hạn cùa vùng sunfua bị oxy hoá phụ thuộc vào mặt gốc xâm thực của khu vực đó.

Sự oxy hoá các hợp chất sunfua có thể được mô tá bới các phản ứng sau:

H20 PbS + 2 0 , — PbS04

H-,0

C u F e S 2 + 4 0 2 — C u S 0 4 + F e S 0 42FeS2 + 7 0 , + 2H20 = 2FeS04 + 2H2S 04 4FeS04 + 0 , + 10H20 = 4Fc(OH)3 + 4H2S 04

H2S 04 sinh ra trong nước lại có tác dụng hoà tan một sỏ' chất khác có trong đá như CaCOv MgCOv Na,CO, .

C a C O - + 1 ỉ 3S 0 4 = C a ;,+ + so ị- + C ()2 + H jOQuá trình oxy hoá các hợp chất sunfua có ý nghĩa rất quan trọng Nó là nguyên nhân chính làm xuất hiện các muối sunfát trong nham thạch và ion SO4 trong nước Quá trình này thường xảy ra rất chậm Tuy nhiên dưới đicu kiện có lợi nhất (nước luôn bão hoà khí oxy) tốc độ oxy hoá có thế tâng lên nhanh.

Người ta đã làm thí nghiệm: Lấv 300g bột pyrit cho vào nước luôn bão hoà oxy hoà tan Sau 10 tháng trong dung dịch có 27.6 mg Fe2(S04)3 và 5,7 mg H2S 0 4.

Ngoài các hợp chất suníiia bị phong hoá bới oxy còn có một số loại khoáng chất khác cũng bị phong hoá bời oxv.

Thi dụ:

- P h o n g h o á R h o d o n it: M 11S ÌO 3 + — 0 2 + 2 H 20 = MnO-, + H 4S Í 0 4

- Phong hoá manganspat: M nC 03 + — 02 = M n ơ2 + c o ?

Sản phẩm của các quá trình phong hoá các loại đá được hoà tan trong nước và bị nước cuốn trôi theo dòng chảy của nó làm cho thành phần hoá học của nước thay đổi Tuv nhiên người ta cũng nhận thấy rằng tính di động của các nguyên tố trong nước rất khác nhau Điều này dẫn đến sự phân bố các chất trong nước thay đổi theo khá nãng di động của các chất Tính di động của các chất trong nước theo thứ tự như sau:

- Các chất di động rất mạnh: Cl, Br, I, S;

- Các chất dễ di động: Na, K, Mg, Ca;

- Các chất ít di động: S i0 2, p, Mn;

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

Do tính di động này mà ta thấy trong nước biển tập trung các chất có tính di động mạnh nhất như Na+, C1 chiếm ưu thế, các nguyên tố này đã chiếm một khối lượng khá lớn trên

vỏ quả đất.

2 Đ ất

a) Thành pliấn lioá học của đất

Đất được hình thành từ bôn thành phần chính tồn tại trong một hệ cân bàng động: thành phần vô cơ, thành phần hữu cơ, nước và khí trong đất Đây là một hỗn hợp rất phức tạp về mặt hoá học.

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

Chúng ta có thể tham khảo thành phần hoá học chung nhất của một sô' loại đất.

Khi phân tích lkg đất khô, chúng ta được lượng chất khoáng và lượng chất hữu cơ và hàm lượng các chất cụ thể theo các bảng sau.

Bảng 2.2 T h àn h phần hóa học cua một sô loại đất

B á n g 2.3 Hàm lượng các chất cu thể trong m ộ t sô loại đất

bì Anh lìướnq của nước khi liếp xúc với dát

b l ) Nước hoà tan các chất trong đất

Đất có thành phần hoá học phức tạp, chứa nhiều chất hoà tan Vì vậy khi nước thấm qua đất sẽ hoà tan các chất có trong đất vào nước làm cho thành phần hoá học cứa nước thay đổi về nhiều mặt:

- Hàm lượng các ion tãng lên.

- Hàm lượng thê khí hoà tan bị thav đổi.

- Hàm lượng các chất hữu cơ lãng lên.

Như vậy khi nước thấm qua các loại đất khác nhau thì sự thay đổi thành phần hoá học của nước cũng khác nhau.

b2) Ánh hướng của sự trao đổi chất giữa đất và nirớc

Nước, khi tiếp xúc íâu dài với đất, ngoài khá nãng hoà tan các chất trong đất còn có khả nàng trao đối chất với đất và như vậy cũng làm thay dối thành phần hoá học cúa nước.

K h á n ã n g tra o đ ổ i lớ n n h ấ t là đất h ấ p phu các c ation c u a n ư ớ c Đ ấ t là m ộ t hệ keo, c á c hạt kco đất đều mang điện tích âm Vì vậy keo đất có khả nãng hấp phụ các cation của nước rất mạnh làm cho thành phán hoá học của nước thay đổi.

Các eation trong nước bị đất hấp phụ cũng khác nhau vổ lượng Thứ tự các cation trong nước bị keo đất hấp phụ theo chiéu tăng dần như sau

N a + K + N H :4 M g - \ C a 2+ H +

N h ư v ậ y H + là ion bị h ấ p phụ cao nhất, N a ' bị hàp phu t h ấ p n h ấ t

K ha n ă n g t h ứ h a i là s ự tra o đổi các ion giữa đất \ à nước Khi h à m ỉư ợ n g m ộ t loại c a tio n

n à o đ ó c ủ a n ư ớ c k h á c a o tlĩì n ó có thể trao đổi với c a tio n k h á c c ó t r o n g đất C h ẳ n g h ạ n n h ư

k h i tro n g n ư ớ c c ó n h i ề u N a +, trong đất c ó C a 2+ thì sẽ xảy ra q u á trìn h t ra o đ ổ i sau:

2Na,;i ư a c ) + 2 C a ^ n - C a ^ ư , + 2 N a (+dấl,

Thông thường Ca2+ thường làm keo đất bị keo tụ Sự trao đổi ion này làm hoà tan các keo đất bị keo tụ (sự pepti hoá), rất có lợi trong việc sử dụng đất canh tác và như thế cũng làm thav đổi thành phần hoá học của nước.

sự ô nhiễm của môi trường nước tự nhiên.

4 K h í hậu

Trong các yếu tố gián tiếp ảnh hướng đến thành phần hóa học nước tự nhiên thì khí hậu gây tác dụng chú yếu nhất.

Khí hậu có thế làm thay đổi các quá trình phong hoá.

Khí hậu có thê làm thay đổi sự hoạt động của các sinh vật trong nước.

Khí hậu có thể làm thay đối các quá trinh oxy hoá khứ trong nước

Tóm lại, khí hậu làm cho nhiệt độ không khí thay đổi, gây ra mưa, hạn hán, lũ lụt, nước bay hơi Tất cả các yếu tố trên đều có khả năng làm thay đổi thành phần hoá học của nước tự nhiên.

Có nhiều loại khí hoà tan trong nước và có ánh hưởng lớn tới thành phần hoá học của nước Chúng ta nghiên cứu một số khí chủ yếu hoà tan trong nước.

2.3.1 Khí oxy

Khí oxy hoà tan trong nước ờ dạng phân tử tự do gọi là lượng oxy hoà tan, viết tắt ià DO

Oxy hoà tan trong nước là điều kiện chủ yếu cho sự tồn tại của nhiều chất hữu cơ sống trong nước và nhiều quá trình hoá học khác nhau xảy ra trong nước.

Một trong những yếu tố đánh giá chất lượng cùa nước là hàm lượng oxy hoà tan trong nước Vì vậy chúng ta phải nghiên cứu đến các nguồn làm giàu và làm giảm hàm lượng DO trong nước.

1 N hóm làm giàu oxy trong nước

Có hai nhóm chu yếu có tác dụng làm giàu lượng oxy trong nước:

- Oxy trong không khí hoà tan vào nước.

- Oxy do sinh vật sống trong nước qua quá trình quang hợp cung cấp.

C á hai n h ó m là m g iàu o.xy trên đ ề u phụ thuộc rất lớn và o k h í h ậ u , đ ó ỉà c á c đ i ề u k iện như nhiệt độ, gió, cường độ ánh sáng, sò lượng thực vật sống trong nước Các điểu kiện đó

t h ư ờ n g là m g ià u o x y ở nước bề m ặt N h ư n g có thể n h ờ các d ò n g c h ả y , c á c d ò n g hải lưu, đ ộ trong của nước mà lượng oxy hoà tan có thê có (V một độ sâu nhất định và phụ thuộc vào

íừ n g n g u ồ n nước

2 N hóm làm giảm oxy trong nước

Các nguồn làm giảm oxy hoà tan trong nước gồin có:

- L ư ợ n g o x y d ù n g đ ể o x y hoá c ác c h ấ t vô cơ, hữu c ơ có tro n g nước

- Lượng oxy mà các sinh vật sống trong nước cần hô hấp.

- Lượng oxy bị giải hấp khỏi nước.

N h ư v ậ y , tỷ lệ c ư ờ n g đ ộ của hai n h ó m làm giàu và làm g iả m ỉư ợ n g o x y h o à ta n tro n g nước đó sẽ quyết định hàm lượng oxy có trong nước Hàm lượng này luôn có xu hướng đạt tới trạng thái bão hoà oxv trong nước dưới điều kiện nhiệt độ, áp suất nào đó.

H à m lư ợ n g o x y tro n g nướ c tự n h iê n thườ ng dao đ ộ n g từ 0 đ ế n 14 mg/1

H à m lư ợ n g o x y h o à tan tro n g nước thường thay đổi n h iề u th e o đ i ề u k i ệ n k h í h ậ u , thời tiế t S ự t h a y đ ổ i n à y c ó thể có tín h c h ấ t chu kỳ hoặc th e o m ù a , t h e o n g à y đ ê m B iên đ ộ

d a o đ ộ n g h à m lư ợ n 2 o x v ho à tan n h iều khi rất lớn phụ th u ộ c v à o rất n h i ề u y ế u tố, n h ư n g

c h ủ y ế u v à o n h iệ t đ ộ và áp suất m ô i trường

§2.3 THỂ KHÍ HOÀ TAN

Trong nước ngọt lượng oxy hoà tan (DO) ớ 0"C và 1 atm là 14,6 ma/1 và DO ớ 35"c là 7 mg/l Người ta thường lấy DO ớ 25"c, 1 atm bàn° 8 insỉ/1.

Vào các mùa thu, đỏng lượne oxy hoà tan trona nước nhiều hơn so với các mùa xuân, hè

vì do nhiệt độ tăng, hàm lượng muối tâng, quá trình hỏ hấp tãna làm DO giám.

Hàm iượng DO cũng thav đổi theo chiểu sâu của nước Nói chung DO giảm dần theo chiều sâu.

Trong nước, oxv iham gia chủ yếu vào các quá trình sau:

- Oxy hoá các chất hữu cơ bằng các vi sinh vật:

(CH20 ) + 0 2 VlMnll vủl > C 02 + H20 Đây là hình thức tiêu thụ oxy phố biến trong nước nhiễm bẩn như nước thái sinh hoạt và nước thải một số ngành cỏna nghiệp.

- Oxy hoá các hợp chất nitơ bằng các vi sinh vật, thí dụ:

Trong nước, khí c o ? có thể tồn tại ỏ dạng tự do hoặc ò dạng kết hợp với nước.

COj kết hợp với nước phụ thuộc vào giá trị pH của nước.

/ Nguồn làm giàu k h íC 0 2 trong nước

Các nguồn cung cấp C 02 hoà lan trong nước là:

- Khí CO, có trong không khí;

- Oxy hoá các hợp chất hữu cơ tạo ra c o ;

- Sự h ô h ấ p c ú a sinh vật tro n g nước thải ra c o , tan vào nước

2 Nguốn làm giấm c o , trong nước

Các quá trình làm giám C 02 trong nước bao gồm:

- Quá trình giải hấp CO-, khỏi nước;

- Quá trình xâm thực của các m u ô i cacbonat bời CO-,.

- Quá trình quane hợp sinh vật tiêu thụ C 0 2 Quá trình này có ánh hường rất lớn đến hàm lượng C 02 trong lớp nước mật trên trái đất Trong một số trường hợp nước bỉ mặt trời chiếu gay gắt, nhiệt độ cao, cường độ quang hợp lớn làm cho lớp nước hầu như không có

C 0 7 giá trị pH tãng lên, và thường lớn hơn 8,4.

Sự phân bô CO7 phụ thuộc vào hoại tính sinh học của từng vùng và khác hẳn sự phân bô oxy trong nước.

Trong nước, ớ lớp trám tích, CO~, tham gia phản ứng:

CaCO, + C 02 + HọO -> Ca2+ + 2HCO3 Quá trinh nàv dần đến sự thay đổi pH của mòi trường.

2.3.3 Các khí khác

Đ ố i với c á c loại k h í khác h o à tan t r o n s nước thì H , s là loại k h í đ á n g c h ú ý

Trong lớp nước mặt có oxv hoà tan thì hàm lượna H:s chi tồn tại trong một thời gian ngán vì nó bị oxy hoá rất nhanh.

Trong nước ngầm, H?s có khi đạt hàm lượng cao, lớp nước ngẩm càng ờ sâu hàm lượng

H ,0 ^ H + + OH"

0 298"K nước có độ điện ly a = 1.4.10 [H,0| =s 55.56M nên [H '] = [OH ] = 10 7M Tích sỏ ion cùa nước: Kw = [H+][OH I = 10 l4.

Môi trường axít:

Môi trường bazơ:

Môi trường trung tính:

pH < 7

pH > 7

pH = pOH = 7.

2.4.2 Mối quan hệ của nồng độ H + trong nước thiên nhiên

Trong nước thiên nhiên, nồng độ ion H+ không phải chỉ phụ thuộc vào sự điện ly của nước mà chủ yếu lại phụ thuộc tỷ lệ hàm lượng giữa C 0 2, HCO3, CO]~ và một số ion khác

có trong nước.

Thí dụ: Xét ảnh hưởng của C 02 hoà tan trong nước tới nồng độ H+ trong nước.

Khi C 02 tan trong nước, tồn tại cân bằng:

Như vậy [H+] tỷ lệ thuận với [H2C 0 3], tỷ lệ nghịch với [HCO3 ].

Khi nước có nhiều C 02 hoà tan thì pH sẽ giảm đi Ngược lại quả trình giải hấp C 02 sẽ làm cho pH của nước tăng lên.

Chúng ta xét hai trường hợp cụ thể:

1 Trường hợp Ị lĩ*] chỉ phụ tỉìuộc vào hàm lượng c o 2 hoà tan trong nước

Chúng ta giả thiết rằng trong nước không có muối, chỉ có C 02 hoà tan nên nước có phản ứng axít yếu.

c o2 + h 2o ^ h2c o3Chúng ta chỉ chú ý tới nấc phân ly thứ nhất của H2C 0 3:

b Trường hợp nước hão hó C 0 2 tron ự báu khí quyển C ỡ 2

Ĩ 298°K và 1 atm thì độ hồ tan của C 02 trong nước là 2,35 g/1, tương đương với 5,34.10 2M với điều kiện trên mặt nước tồn là khí CO-.

2 Trường hợp [H +Ị phụ thuộc vào các ion khác

Trong nước thiên nhiên [H+] khơng chí phụ thuộc vào C 02 hồ tan mà cịn phụ thuộc vào nhiều loại ion khác nữa.

Giả thiết rằng trong nước chu }ếu cĩ các ion HCO3, c o 3 ~ và Ca2+ thì [H+] phụ thuộc vào các ion trên như thế nào.

Do sự cĩ mặt của nhiều ion nén chúng ta phái tính theo hoạt độ các ion:

Tất nhiên trong nước thiên nhiên thì thành phần hoá học rất phức tạp nên giá trị pH còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nữa.

§2.5 CÁC ION CHÚ YẾU CÓ TRONG NƯỚC THIÊN NHIÊN

2.5.1 Ion clo ( C O

lon clo là loại ion âm phổ biến nhất Phạm vi biến đổi của nó rất rộng.

Trong nước sông, nước hồ, nước các đầm lầy có thế không có hoặc có rất ít C1 Nhưng trong nước biển thì hàm lượng c r rất cao Hàm lượng của C1 trong nước tự nhiên

có thể biến đổi từ 0 đến 170 g/1.

Nguồn gốc cùa ion C1 có trong nước tự nhiên do các nguyên nhân sau:

- Độ hoà tan của các muối clorua rất cao, cao hơn tất cá các muối khác, vì vậy khi độ

khoáng hoá của nước tăng lên thì hàm lượng c r cũng tăng lên;

- Hoạt động của sinh vật, đặc biệt là hoạt động của con người (nhu cầu sinh hoạt của con người cần nhiều NaCl, ngành công nghiệp cũng cần rất nhiều NaCL.) là nguồn lớn cung cấp lượng c r cho các loại nước tự nhiên;

- Trong nham trầm tích cũng có rất nhiều cr, và lượng c r này cũng tham gia vòng tuần hoàn của c r trong nước tự nhiên;

- Do quá trình phong hoá các dung nham Trong dung nham có các hợp chất chứa C1 như là apatít Ca5(P 04)ìCl; sodalit 3NaAlSi04.NaCl Quá trình phong hoá các dung nham này cũng cung cấp c r cho nước tự nhiên;

- Ngoài ra một phần lớn c r trong nước do dung nham của núi lửa phun ra cung cấp 2.5.2 Ion SO4'

lon SO4” là loại ion quan trọng trong nước thiên nhiên.

T r o n y nươc c ó d ộ khoáiiL’ lu ui c.ii > li)! ioiì ( I u,k* II l i m \ cu, nlìinm nư ớ c c ó đ ộ k h o á n g hcá ',háp thì SO 4 là c h ú ve LI.

S O cìirm phân bố rộnii klìãp ironự nước Lìỉ;i !Ui ÍH’ LiKi nỏ ÍUV ít nhưng ớ dâu cũng có

Tĩoiiiỉ các hổ nước neọt hàm lượn ụ sO4 cao hơn iMng nước sồng Trong nước biến hàm

lượne s o ] siàm dần theo độ sâu

SO*; c ó t h ê d o c á c im u ổ n sau cunỉi cấp:

- Tron2 nham trầm tích có chứa thạch cao CuSO:.2!NO:

- Oxv hoá s trone tự nhiên:

- Hoạt động của con người mà chú yòu là ngành công nghiệp thái ra nguồn nước rất nhiều SO4'

- Do quá trình phân giải của động, thực vật Các chât hữu cơ trong cơ thể động, thực vật

có chứa s, khi phân giải chúng biến thành các hơp chất suníua nhờ vi khuẩn yếm khí và các hợp chất suníua này lại bị oxy hoá thành sunphát hoà tan vào nước.

2.5.3 Ion kim loại kiém

Trong số các ion kim loại kiém trong nước thièn nhiên thì hàm lượng Na+ là cao nhất, hàm lượng K+ là ít nhất Các ion còn lại có hàm lượng rất ít Thí dụ, trong nước biển hàm lượng Rb+ chỉ khoảng 0,2 mg/1; Li+ chi khoáng 0,1 mg/1.

Theo sự phán bố, Na+ chiếm nhiều nhất trong các loại cation Hàm lượng Na+ trong nước

tự nhiên vượt quá tổng lượng cùa các ion khác.

Ion Na+ đặc trưng cho nước có độ khoáng hoá cao Trong nước có độ khoáng hoá thấp, thì Na+ chỉ chừng vài mg/1 Khi độ khoáng hoá tãng lên thì hàm lượng Na+ cũng tăng theo Khi hàm lượng Na+ đạt vài g/1 thì nó là ion chú yếu có trong nước Trong nước biển hàm lượng Na+ chiếm 84% tổng khối lượng cùa các cation.

Nguồn gốc chủ yếu của Na+ trong nước tự nhiên bao gồm:

- Na+ có nhiều trong các loại đất, đá, nham thạch, dưới dạng các hợp chất clorua, dẻ tan, không bị sinh vật hấp thụ Trong vỏ quả đất, Na+ có trong các khoáng vật được phân bô rất rộng rãi Đây là nguồn cung cấp Na+ rất quan trọng cho nước;

- Giống như c r , Na+ cũng được các hoạt động cùa sinh vật, đặc biệt là con người cung cấp cho nước tự nhiên;

- Ngoài ra nguồn cung cấp Na+ còn do sự trao đổi giữa các Me~+ với Na+ trong các hợp chất, thí dụ:

Hàm lượng K+ thường chiếm khoảng 4 -T- 7% so với hàm lượng Na+ Trong nước có độ khoáng hóa cao, tỷ lệ K+ thấp nhất, còn trong nước có độ khoáng hoá thấp, tý lệ K ' cao hơn.

Sớ dĩ hàm lượng K+ trong nước tự nhiên rất thấp ỉà vì:

+ Kaii bị đất và các nham thạch hấp phụ mạnh;

+ Kali là chất dinh dưỡng của thực vật nên nó bị thực vật hấp thụ rất cao so với Na+ 2.5.4 Các ỉon C a 2+, M g 2+

1 Ion C a2+

Trong nước thiên nhiên có độ khoáng hoá thấp thì Ca2+là ion chính.

Nguồn gốc của Ca2+ trong nước thiên nhiên là do quá trình phong hoá đá vôi bới khí cacbonic.

CaCO, + C 0 2 + H20 = Ca2+ + 2HCOj Nhưng khi trong nước có hàin lượng HCO 3 cao thì sẽ diễn ra qưá trình giải phóng khí

CO 7 và tạo ra C a C 0 3 kết tủa Đây là nguyên nhân chính gây ra các nham trầm tích đá vôi Ngoài ra nguồn cung cấp Ca trong nước còn do thạch cao (C aS 0 4 2H 2 0 ) cung cấp, bới

vì thạch cao phân bố rất rộng rãi trong nham trầm tích.

2 Ion Mgĩ+

Trong nước thiên nhiên, nước có độ khoáng hoá thấp thì hàm lượng ion Ca2+ lớn hơn hàm lượng ion Mg2+ Còn trong nước có độ khoáng hoá cao thì hàm lượng Ca2+ lại nhó hơn hàm lượng M g2+.

Neuvên nhân uây ra hiện tượng trên là do độ hoà tan của các muối M g S 0 4 và MgCO,

c a o h ơ n c ú a C a S 0 4 và C a C O v

Nguổn gốc cung cấp M g2+ trong nước thiên nhiên là do quá trình phong hoá đôlômit (MgCOvCaCO,) bơi C 0 2:

2.5.5 Các ion H C (>3 và c o ị

HCO 3 và c o 3 là thành phán chủ yếu trong nước thiên nhiên, đặc biệt là trong nước có

độ khoáng hoá thấp Hai ion này có mỏi quan hệ chặt chẽ với nhau.

Qua biểu thức này chúng ta thấy:

- Nếu [H 2 C 0 3] càng lớn thì [ H C O3 I càng lớn;

- Nếu [H+] = K, = 3.10”7M thì |H ,C03] = Ị HCO3 ];

- Nếu [H+J < 3 i c f 7M (pH > 6.5) thì [H2CO<] > [ ÍICO3 ].

Thực tế khi [H+] > 10”4M (pH < 4) thì hàm lượng HCOị' rất nhó, người ta không cần xét đến nó.

Khi hàm lượng C ()2 trong nước cân bằng với hàm lượng HCO^ thì gọi là hàm lượng CO: cân bằng Nếu hàm lượng C 0 2 trong nước lớn hơn hàm lượng c o , cân bàng sẽ có hiện tượng hoà tan các muối cacbonat và như vạy hàm lượng HCO, sẽ tãng lên Ngược lại nếu hàm lượng CO: trong nước nhó hơn hàm lượng C 0 2 cán băn 2 thì sẽ có hiện tượng tạo ra các kết tủa cacbonat hàm lượng HCO 3 sẽ giám.

Me CO 3 + C 0 2 + H:0 ^ Me2+ - 2 HCO 3

H c o , ^ H+ + HCO

Từ đó:

Trong nước thiên nhiên iiếu hàm lượng Ca là chính thì hàm lượng I I c o ; không nhiêu lắm Nhìn chun” trons nước sỏna nước hồ hàm lượng HCO, khôna quá 250 nm/1 còn trong nước ngầm hàm lượng HCO, cao hơn do có c o , hoà tan nhiéư hơn.

Như vậy hàm lượng C O 3 tỷ lệ thuận với hàm lượng HCO 3

T r o n s nước thiên n hiên, n ế u tồn tại nhiều cc>3~ t h ì h àm lượng ion Ca2+ lại rất ít vì sẽ t ạo

nên C a C 0 3 kết túa Vì vậy ờ trong nước nếu Ca2+ là ion chính thì hàm lượng CO?“ không quá vài mg/1 Khi độ khoáng hoá của nước tăng lên thì hàm lượng c o ? lại giảm đi.

Ta còn thấy hàm lượng c o ? tỷ lệ nghịch với hàm lượng H+ Thực tố khi [H+ ] > 5 1 0 ';M (pH < 8,3) thì hàm lượng CƠ 3 ~ có thể bỏ qua.

Như vậy các ion H C O ^ C O ? ', Ca2+, H+ và H 2 CO, ( C 0 2) trong nước thiên nhiên có quan hê với nhau vé mặt định lượng Môi quan hệ này phu thuộc rất nhiều vào hãng sô điện

ly K|, Ki cùa H 1 CO 3 và tích số hoà tan T của CaCOv

Tất cả các ion trên hình thành một hệ cân bằng cacbonat Hệ cân bằng này có quan hệ chặt chẽ với giá trị pH của nước thiên nhiên Định lượng của mối quan hệ trên được ghi theo bảng 2.4 dưới đây.

Bảng 2.4 Hàm lượng các chất được tính theo % số mo! chất

'[ ronií nước thiên nhiên, các hnp cliat sunlua ú > llic lon l;ii ơ thê khí H-.S hoà tan đạns

1ỈS \ à s : của axít HiS và cua các nuiỏì cua hai (.lị:ng 1 1!) ció.

2.5.6 Họp chất sunfuu

í ỉ.s là một axíl vẽu đa bậc

H s ^ H 4 + HS ÍỈS í=; i r + s :

pH 7 52.-Ỉ5

- Khi pH > 7 thì tồn tại Ỉ ỈS là chú yếu.

- Khi pH < 5 thì thực tế không tồn tại HS~ mà chi có H: s.

- Khi pH > 9 thì hàm lượng H-)S có thể bỏ qua.

- Khi pH > 10 thì ion s2- mới xuất hiện trong nước tự nhiên.

Do hàm lượng H2S trong nước tự nhiên rất ít nên thường không ảnh hướng tới giá trị pH cúa nước.

Nguồn cung cấp H2S trong nước là do:

- Sự phân giái các lượng chất hữu cơ có chứa s trong điều kiện thiếu oxy.

- Sự khứ hoá các muối suníat cũng trong điều kiện thiếu oxv.