Giáo trình cơ sở môi trường nước

Chương 5 đề cập đến việc quán lý và kiếm soát chất lượng nước, trong dó trình bày những giải pháp quán lý ỉhồng qua việc giám sát chất lượng nước đê duy trì tính đa dạng sinh học, phát t

PHẠM NGỌC Hỏ - ĐỎNG KIM LOAN - TRỊNH THỊ THANH

I

GS rs PHẠM NGỌC HO

TS. ĐỐNG KIM LOAN -PGS.TS. TRỊNH THỊ THANH

Giáo trình

Cơ SỞ MÔI TRƯỜNG NƯỚC

NHÀ XUẤT BẢN GIẢO I)UC VIÊT NAM

Công ty cổ phần sách Đại học - Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nan giữ quyền công bô tác phẩm.

Ẩ ^ ìĩị ề WỈ

C ơ sỏ Mỏi trường nước là giáo trình dược các tác giá giàu kinh nghiệm biên soạn trên cơ sở các bài giảng cho sinh viên ngành Môi trường ở Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội trong vòng 10 nãm qua (kể từ khi Khoa Mỏi trường được thành lập năm 1995 - Khoa đầu tiên hình thành trong hẹ thống đào tạo chính quy Ngành Khoa học Môi trường ở nước ta) Nội dung của giáo trình không chí phán ánh những kiến thức cốt lõi trong

chương trình khung dà dược Bộ Giáo dục và Dào tạo thông qua mà còn chứa đựng một số nội dung nâng cao, giúp sinh viên hiểu biết sâu, rộng về môi tnrờng n ư ớ c Vì vậy, giáo trình dược s ử dụng làm tài liệu chính thức trong giániị

dạy vù học tập cho sinh viên ngành Môi trường thuộc các trường dại học trong

hệ thổn ạ Đại học Quốc gia cũn V như các trường dại h ọ c, cao dẳng trên phạm VI

cá nước.

Cìiáo trình gồm 5 chương:

Chương 1 và 2 trình bày các khái niệm và định nghĩa về nước tự nhicn, quá trình hình thành cũng như cấc dặc trưng cấu trúc cúa nước, vai trò và tác động của nước đối với môi trường

Trong chương 3 để cập đến các loại nước tự nhiên, bao gồm nước mưa, nước hiên, nước mặt và nước ngầm Thành phần hoá học và các tính chất vạt lý của các loại nước được phân tích kỹ lưỡng dưới góc độ xem xét ánh hưởng đến chàt lượng môi trường nước như hàm lượng các ion chính, pll, độ dục, độ muối,

độ hoà tan, độ khoáng, các chất lơ lững v.v

Chương 4 trình bày cấc nguồn gây ô nhiễm nước, các quá trình tự làm sạch nguồn nước nhàm phục hồi lại trạng thái chất lượng nước ban đầu nhờ các quá trình thuý dộng học, vật lý, hoá học, sinh học v.v diễn ra trong nguồn nước Các quá trình lắng dọng, khuếch tán, hoà tan, kết túa, bay hơi, quang hợp, phân giá ị hiếu khí và yếm khí v.v được phân tích dưới góc độ tác động của các cơ

3

chê vật lý, hoá học và sinh học Trên cơ sở đó trình bày một sỏ pliưưng pháp xứ

lý nước tự nhiên

Chương 5 đề cập đến việc quán lý và kiếm soát chất lượng nước, trong dó trình bày những giải pháp quán lý ỉhồng qua việc giám sát chất lượng nước đê duy trì tính đa dạng sinh học, phát triển nguồn lợi sinh vật, báo vệ sự trong sạch của nguồn nước dáp ứng nhu cầu thiết yếu cùa cuộc sống con người và thế giới sinh vật trên Trái Đất Đồng thời, trong chưưng này trình bày về hệ thống quan trắc chất lương nước, các phưưng pháp đánh giá chất lượng nước bàng sô liệu quan trắc thực tê và tính toán lừ mô hình, các tiêu chí đánh giá chất lượng nước theo chi tiêu riêng lẻ và tổng hựp cúa các tác giá nước ngoài và trong nước, làm

cơ sớ cho việc dánh giá, kiểm soát và quán lý chất lưựng nước

Giáo trình dược biên soạn lần dầu nên không tránh khói các khiếm khuyết, rất mong bạn đọc đóng góp ý kiến đê lần tái bán sau giáo trình được cập nhật và hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Ban Biên tập sách Đại học Cao đắng, Công ty c ố phẩn sách Đại học - Dạy nghề, 25 I làn 'lTiuyén, 1 là Nội

Các tác giả

DANH MỤC VIẾT TẮT

BVMT Háo vệ mỏi trường

CTQCÌ Chương trình quốc gia

CDM Cơ chế phát triến sạch

CLMT Chất lượng môi trường

DPS1K Driving Prcssures State Impacts Responses

(Mô hình DPSIR theo quan điếm cua KHA)HPA Cục Báo vệ môi trưởng

i ; i ; a Cục Mồi trường châu Âu

OMB Cơ quan quán lý ngần sách

PSD Ngăn chặn sự suy giam nghiêm trọng/sự ồ nhiẻm nghiêm trọngRBO Ban quán lý lưu vục

r c c p Tiêu chuẩn cho phép

1CVN Tiêu chuẩn Việt Nam

ILN Tổng lưựng nước

1NNQG Tài nguyên nước quốc gia

l’NNM Tài nguyên nước mặt

l’NNN Tài nguyên nước ngầm

UNHP Chương trinh môi trường cua Liên hợp quốc

W llO Tổ chức Y tế thế giới

5

MỤC LỤC

Trang

Lời nói d ầ u 3

Danh mục viết t á t 5

Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỂ NƯỚC T ự NIIIÊN 1.1 Sự hình thành, vai trò và sự phân bố của nước trong tự nhicn 9

1.1.1 Sự hình thành nước trên Trái Đất [28, 3 0 ] 9

11.2 Tác động và vai trò cúa nước đối với mòi trường [25] 10

1.1.3 Lượng nước, sự phân bô và tiêu thụ nước trên Trái Đất [3,25] 12

1.2 Sự tuần hoàn của nước 17

1.2.1 Chu trình của nước 17

1 2 2 T h ờ i g ia n lưu cứ a n ư ớ c 19

1.3 Phân loại nước tự nhiên 20

1.3.1 Phân loại theo sự phân bó 20

1.3.2 Phàn loại theo nhiệt độ (chủ yếu áp dụng dối với nước khoáng) 20

1.3.3 Phân loại theo p l ỉ 20

1.3.4 Phân loại theo dộ cứng (H - me/1) 21

1.3.5 Phân loại theo độ khoáng hoá 21

1.3.6 Phân loại theo thành phần hoá học 21

Chương 2 ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC 2.1 Phân tử nước và liên kết hiđrô [3, 8, 30, 34] 23

2.1.1 Cấu tạo của phân tử nước 23

2.1.2 Liên kết hiđrô 24

2.2 Cấu trúc của nước [2, 8, 30, 34] 26

2.2.1 Quan niệm vế cấu tạo của phân tử nước 26

2.2.2 Ba trạng thái của nước 27

2.3 rinh chất vật lý cùa nước 30

2.3.1 Tỷ trọng và thể tích của nước 30

2.3.2 Các tính chất nhiệt 33

2.3.3 Độ nhớt 35

2.3.4 Sức cảng bề mặt 36

2.3.5 Áp suất thẩm thấu 37

2.3.6 lình chất điện cùa nước 38

2.3.7 Tính chất quang học cùa nước 39

2.4 Tính chất hoá học của nước [ 1, 26,33 37] 40

2.4.1 Tính chất dung môi cùa nước 41

2.4.2 Cân bằng hóa học cùa nước 45

2.4.3 Phàn ứng ỏxi hoá - khứ của nước 50

2.5 lình chất sinh học của nước [ 9 , 1 3 , 3 2 ] 51

2.5.1 Nước và sự trao dổi chất 51

2.5.2 Nước, môi irường sồng cúa vi sinh vật 54

2.5.3 Các chất dinh dưỡng trong nước 55

2.5.4 Vi sinh vật chậtxúc tác của các phản ứng hoá học trong nước 57

2.5.5 Tẩm quan trọng của nước dối với hệ sinh thái 58

Chương 3 PHÂN LOẠI NƯỚC TRONG T ự NHIÊN 3.1 Nước mưa [1, 10, 30, 31J 65

3.2 Nước biến [4, 5 ] 67

3.2.1 Đặc điểm thành phần hoá h ọ c 67

3.2.2 Độ muối, độ clo và môi tương quan của các ion chính 70

3.2.3 Giá trị pl l cúa nước biến 73

3.2.4 Các tính chất vật lý khác 74

3.3 Nước bề mặt [3,4, 26,27, 2 8 ,3 6 ] 75

3.3.1 Nước t ù 76

3.3.2 Nước động 80

3.3.3 Nước cửa sông 87

3.4 Nước ngầm I 26,27] 88

3 4 1 N g u ồ n n ư ớ c n g ầ m 8 8 3.4.2 Đặc tính chung 89

3.4.3 Tính chất của nước ngầm 92

3.5 Một sô đặc trưng chính của nước tự nhiên 93

3.5.1 Nhiệt độ nước 93

3.5.2 Ion hidrô 94

3.5.3 Các hợp chất tan trong nước 94

3.5.4 Các k h i 95

3.5.5 Các chất lơ lửng 96

3.5.6 Quần xã sinh vật 96

3.5.7 Trạng thái vật lý của nước tự nhiên 97

3.5.8 Sự tạo phức trong nước tự nhiên và nước thái [26,27, 37] 98

Chương 4 Ỏ NHIỄM, QUẢ TRÌNH T ự LẢM SẠCỈI VẢ XỬ LÝ NƯỚC TỤ NHIÊN 4.1 Một sò vấn dé chung vé ô nhiểm nước 101

4.1.1 Khái niệm ô nhiễm nước 101

4.1.2 Các loại ô nhiém cúa nước 102

4.1.3 Các thông sỏ chính đặc trưng cho chất lượng môi trường nước 105

4.2 Quá trình tự làm sạch nguổn nước 111

4.2.1 Một sổ vấn dc chung vổ quá trình tự làm sạch 1 11 4.2.2 Quá trình tư làm sạch nguồn nước m ặt 112

4.2.3 Quá trình tự làm sạch nước ngầm 124

7

4.3 Một số phương pháp xử lý nước ngầm 125

4.3.1 Phương pháp làm mềm nước 125

4.3.2 Phương pháp xử lý sát 127

4.3.3 Khử Mangan trong nước ngầm 130

4.3.4 Phương pháp xứ lý Asen 131

4.3.5 Cồng nghệ xử lý amoni trong nước ngầm 134

4.3.6 Phưưng pháp khử trùng 136

4.3.7 Loại muôi trong nước 139

4.3.8 Các phương pháp khác xử lý nguồn nước cấp 141

Chương 5 QUẢN LÝ VÀ KIỂM s o á t CHAT LƯỢNG NƯỚC 5.1 Quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên nước 143

5.1.1 Một số vãn bán pháp lý chính liên quan đến quán lý tài nguyên nước [17, 18, 22, 23] 143

5.1.2 Thực hiện mổ hình DPSIR ưong đánh giá mối trường nước 147

5.2 Một số phương pháp đánh giá chất lượng nước [4,13, 28] 163

5.2.1 Đánh giá chất lượng nước dựa theo tiêu chuẩn môi trưừng 163

5.2.2 Đánh giá theo thang điểm 166

5.2.3 Đánh giá dựa irên chỉ tiêu tống hợp 168

5.2.4 Đánh giá tống hợp chất lượng nguổn nước 171

5.2.5 Đánh giá thõng qua mô hình 172

5.2.6 Đánh giá dựa theo chí thị sinh vật 179

5.2.7 Đánh giá qua ước tính thiệt hại kinh tế 182

5.3 Hệ thống quan trác chất lượng nước 183

P hu l u c 1 8 8

Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỂ NƯỚC Tự NHIÊN

1.1 Sự HÌNH THÀNH, VAI TRÒ VÀ sự PHÂN Bố CỦA NƯỚC TRONG

Tự NHIÊN

1 1 1 Sự hình thành nước trên Trái Đât [29, 31]

I lọc thuyết khoa học về quá trình xuất hiện của nước và hình thành sự Sống trên hành linh Trái Đất dược nhiều nhà khoa học cõng nhận nhất là thuyết về sự sông bắt đầu từ những dạng vật thê vỏ cùng cô dọng, có tý trọng cực lớn tồn tại trong khoảng thời gian cách xa hiện nay như vô tận Học thuyết ây cho rung, khoáng 15 20 tý nám trước đáy dã xảy ra 1 vụ nổ lớn(lỉig Bang) Vụ nổ lạo nên những dám mây khí có nhiệt dộ cao vô cùng, hơi nóng và hạt nguyên tứ lan truyền khắp nơi Cùng với thời gian, đám mây khí nguội dấn rồi cổ đọng thành các thicn thê Hơn 10 tý năm sau vụ Big Bang, tinh vân Ngàn Hà dược hình thành, trong đó có Mật Trời và Trái Đất của chúng ta Khoáng 4,4 - 4,5 tý năm trước dây đã có Trái Đất với lớp vỏ cứng nằm cách xa Mật Trời khoáng 150.000.000km Từ thời gian dó, những Ihay đổi chính dã xuất hiện theo một tý lệ tăng dần với thời gian Khí quyển Trái Đất dần hình thành' và nước xuất hiện khi băng giá tan chảy trên mặt đất2.Như vậy, cùng với quá trình hình thành Trái Đất, Khí quyến, thì nước và

sự sông cũng hình thành và dần dần xuất hiện trên các yếu tô cấu thành nên mỏi trường sống của chúng ta

1 k h i nghiên cứu cá c lớp ngoài cùa Mặt Trời, cá c hành linh và c á c ngôi sao môi nương giữa các vi sao Tinh vân Sao chổi và c á c dối urợng khác trong vũ trụ ngirời ta dã phá! hiện ra rang: irong các dõi urợng đó c ó mặt háu hết mọi nguycn tô hoá học mà khoa

học dà biẽt Nlũmg nguyên tô phố biến nhất trong vũ trụ là hiđrô và heli Tòng số các

nguyên tử cua chúng trong nhiều vì sao rinh vân và trong môi tnrờng giữa các ngôi sao lớn

gâp iram ngàn lán so với sò nguycn lử cùa các nguyên lô còn lai Các nguycn tô c N o

Nc Na Ca l i Si là những nguyên lố phổ biến Trong vũ tru c á c nguycn lô này ớ (krới dang nguyên lir và phân tử hợp chất cùa chúng chú yêu ớ trạng thái ion hoá.

Nước có mại làm cho sự sống dần hình thành, cá c h dãy 3 lý nam sư sống đầu liên đã xuất hicn ứ biến có dang như vi khuẩn và tảo ngày nay.

9

1 1 2 Tác động và vai trò của nước đối với môi trưòng [25]

Trong khi hidrô chỉ là một cáu phần rất nhỏ của toàn bộ quá đất thì nước

là một ihành phần chính, quan trọng đối với việc tồn tại và phát triển sự sống trên hành tinh Nước bao phú 70% bề mặt Trái Đất (với dộ sâu chứa nước từ

0 - 1 Ikm, dộ sâu chứa nước trung bình là 4km), có mối quan hệ khăng khít với không khí và đất

Các hoạt dộng của con người dcu tác động mạnh mẽ tới đất, không khí

và nước Chẳng hạn, dâì nông nghiệp bị xáo trộn do những thay đổi của dồng cỏ hoặc rừng; hay việc làm tâng các sản phẩm nông nghiệp có the là nguyên nhân làm giảm lớp phủ thực vật, thay đổi sự thoát hơi nước của cây cối và ảnh hướng đến diều kiện vi khí hậu Kết quả là tăng mưa, tâng xói mòn đất, gây tích tụ bùn và phù sa trong nước Tiếp dó, chu trình dinh dưỡng

có thể xảy ra với tần suất cao hơn dẫn đến thav đối nồng độ của các chất dinh dưỡng trong lớp nước bổ mặt Cứ như vậy, lần lượt, chúng tác dộng sâu sắc đến các tính chất hoá học và sinh học của nước

Mặt khác, nước với những tính chất đặc biệt và quý giá (sẽ xét ứ chương sau) là diều kiện thiết yếu dế tạo ncn cuộc sống trên hành tinh này\ Nước được coi là dung môi “độc nhất”, dung môi “da năng” có khá nâng hoà tan rất nhiều chất Hơn nữa, cùng với khá nâng bay hơi cao, nước đóng vai trò điều khiến sự phong hoá hoá học của đất đá, cung cấp dinh dưỡng cho thực vật và vận chuyến các chất hoá học vào cư the sinh vật

Lịch sử nhân loại dã cho thấy, sự cung cấp nước có mối liên hệ rất mật thiết với nền vãn minh, với sự phát triển và diệt vong của nhân loại Hàng loạt ihành phô và nén văn minh dã bị biến mất do cạn kiệt nguồn nước dẩn đốn sự biến đổi khí hậu, bới:

- Sự phát triển giao thông và đỏ thị dã làm tăng các cơn lũ lụt do cây xanh và dấl bị Ihay thế bằng các công trình xây dựng, đường cao tốc, dẫn đến tâng tốc dộ dòng chảy của các dòng nước mưa Nếu mực nước biên tăng cao trong thời gian lới như dự báo thì một sỏ vùng Ihấp ven biên, các vùng đất ngập nước và một sô vùng đất trổng sẽ bị nhấn chìm dưới mực nước biên

- Hàng triệu người trên thế giới, đặc biệt ớ các nước đang phát triến, bị thiệt mạng do các bệnh từ nước bán gây ra Bệnh tật sinh ra theo con dường nước có ihc gây chết đến 10% dân sô của một thành phố Chất lượng nước kém do ỏ nhiễm nước ngày càng gia tăng dang dặt ra cho loài ngưừi những

’ Miện nay chúng ta chỉ mới biết riêng hành tinh cùa chúng ta là có nước.

thứ thách nặng né Nhiều bệnh dịch do vi khuân và virus lây nhiễm theo đường nước dã gây ra những thám hoạ cho con người như bệnh dịch tả năm

1991 1992 ớ Nam Mỹ Năm 2002, trận lũ trên sông Ngàn Phô (một nhánhnhỏ cùa sông Cá) gây dịch tá làm nhiều trâu bò chết, Theo thống kê của

Tó chức Y tê thế giới, trong vòng 24 giờ có đến 13.000 trẻ em dưới 1 tuổi bị chết do nước bán; trcn 1,5 tỷ người không có nước sạch để uống (sô liệu trước năm 1996)

- Sự có mặt của các hoá chất dộc hại, chất thải hữu cơ clo hoá từ các

sán phấm hoá học công nghiệp, kim loại nặng từ các phân xưởng mạ kim loại, thuốc trừ sâu diệt cỏ, nồna độ muôi khoáng tăng ớ các cánh đổng nông nghiệp, đã làm xấu đi các tính chất của các nguồn nước Mặc dù cho đến nay con người đã có nhiều biện pháp tích cực kiêm soát nguồn nước nhưng vản chưa thoát khỏi vấn đề ô nhiễm nước

Nước - con người dùng dược - hầu hết là nước ngọt từ nguồn nước bề mặt và nước ngám Nguồn nước này dang bị đe doạ nhiẻm hán và cạn kiệt

do việc xá thái và sứ dụng thiếu ý thức của con người, cộng thêm với sư gia tăng nhanh dàn sô thê giới4 Các hoạt dộng nóng nghiệp, công nghiệp đểu dòi hói một lượng nước rất lớn\ Mặt khác, mức sống của dân chúng nâng cao cũng dã dẫn dến nước sử dụng cho sinh hoạt lãng lên nhiều lần so với vài ba thập kỷ trước Cách sứ dụng nước ngọt như hiện nay sẽ không thê bền vững nếu dân sô toàn thê giới lên đến 10 tỷ vào năm 2050 Nhiều nơi dã bị thiêu nước trầm trọng Nói chung tình trạng khan hiếm nước đang dần trớ nên hết sức căng tháng theo thời gian ứ một sô vùng Trong những vùng khô hạn và các miền duyên hải hiện trạng thiếu nước cũng như nước bị nhiễm mặn dang là môi lo ngại buộc chúng ta cần sớm tìm ra các giái pháp hợp lý

Nước tham gia vào mọi quá trình xảy ra irên Trái Đất như địa mạo, địa hoá, xói mòn làm cho trên bề mặt Trái Đất hình thành ncn các sông, suôi, đồng hãng, Nước trong khí quycn dược coi là lớp áo giáp bảo vệ Trái Đất khỏi bị giá lạnh và diều hoà khí hậu, bới vì nước có khả năng lưu giữ và ốn nhiệt tốt hơn mặt dát và không khí

Dân sô thê giới táng gâp đôi lừ 2 ,5 tý năm 1950 đến 5 0 tý nam 1987 'iìic o dự kiến cua I.l l ọ nếu dô mán ổn đinh ớ mức 2 5 con thì vào nam 2 0 5 0 dãn sô thế giới sẽ đạt 28 tỷ (là viền lánh xấu nhất); nếu độ mán thấp hơn ở mức 1.7 con thì dân sô thế giới sẽ dại 7.8 tý.

o hâu hết cá c nước, việc tưới liêu Irong nông nghiệp là nguồn ticu thụ nước chính, chiòn khoáng 10°/( lượng nước trẽn Ihc giới, nhưng chi < 4 0 % nước tưới tiêu dược dùng đê phát triến mùa màng, phán còn lại là lãng phí.

1 1

Nước có ý nghĩa đặc biệt dối với mọi quá trình sinh học, là thành phán chính của mọi vật thê sống Trung hình trong một cư thc sống, nước chiếm 80% trọng lượng cơ thê Trong các động vật bậc cao, nước chiếm 60 - 70%;

ớ các sinh vật biển như sứa và một sô loài tảo, nước chiếm tý lệ rất cao (khoáng 98% trọng lượng CƯ thê) Những v i khuẩn ở trạng thái bào lử hoặc sinh khí lơ lửng mà bển vững thì hàm lượng nước chí là 50% Đỏi vứi con người, nước chiếm khoáng 70% trọng lượng cơ thể6 Trong cơ thê sinh vật, nước dóng vai trò như một dung môi đé ihực hiện quá trình trao đổi chất và năng lượng Ngoài thiên nhiên, thuỷ sinh vật sống trong nước coi nước như

là giá thê đế cư trú, di chuyên và tìm kiếm thức ăn Nước là tấm vỏ bọc báơ

vệ rất an toàn cho thuỷ sinh vật tránh các thay dổi đột ngột của thời tiết khắc nghiệt trên cạn hoặc các tia bức xạ nguv hiểm từ vũ trụ và Mặt Trời

Tóm lại, nước có mặt ớ tất cả các quyến của Trái Đất như khí quyển, thuý quyến, địa quyến, sinh quyển Nước dóng vai trò vô cùng quan trọng Irong sự phát triển cúa tự nhiên và đời sông trên hành tinh chúng ta Vì vậy,

sự hiểu biết về nước, về tính chất lý, hoá học cũng như sự tồn tại và vận dộng cùa nước trong môi trường là cơ sò dê giải quyết những tác dộng xâu do nước gây ra

1.1.3 Lượng nước, sự phân bô và tiêu thụ nưóc trên Trái Đât Ị3, 26]

Nước là thành phần cơ bản và quan trọng của môi trường sống mà sự có mặt của nó cấu tạo nên một quyến trên Trái Đất là thuý quycn Thuý quyến bao gồm toàn bộ các dạng chứa nưức trên hành tinh của chúng ta Đó là: đại dương, biên, sông, hồ, suôi, các táng băng và nước ngám v.v

Toàn bộ lượng nước trên Trái Đất khoáng 1.400xl0'k m \ trong dó, khoáng 97% là ứ dại dưưng và biển Tuy nhicn, do hàm lượng muôi cao nên nước ớ đây không được sử dụng cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người Trong phần nước còn lại, phần lớn dóng bãng ở 2 dầu cực và trong các táng băng (chiếm khoảng 2% tổng lượng nước - TLN) Lượng nước này chc phú khoáng 10% bề mạt Trái Đất hiện tại Như vậy, chỉ còn khoảng 0,6% nước ngọt, bao gồm cả nước bé mặt và nước ngầm là có thê sử dụng được Trong tổng lượng nước đó, con người thực sự chỉ sứ dụng khoảng0.3% dưới dạng nước ngọt phục vụ các mục đích khác nhau của mình

6 Trong c ơ thê con người, nước c ó irong sinh chấl của c á c mõ và tê bào (từ 2 0 % trong xương dcn 8 5 % trong tẽ bào não) Người có trọng lượng trung bình, nước chiếm 7 2 5 % trọng lượng cơ thè Irong đó trong tê bào !à 2 6 5 % và ngoài tế bào là 4 6 %

Ngioài ra, nước còn dược phân bô trong khí quyển dưới dạng hơi nước khoáng 0.001% TLN.

Bảng 1.1 Sự phân bõ nước trong các dạng chứa nước trên Trái Đất

Hình 1.1 Sơ đồ biêu diễn sự phàn bô nước ngọt

Hiện tại, lượng nước dùng cho các nơi tiêu thụ chính là: thuỷ lợi (30%), các nhà máy nhiệt diện (50%), sinh hoạt (7% ) và tiêu thụ của các ngành công nghiệp (12%), Chúng ta đều biết rằng, trung bình mỗi người cần 2 lít nước cho việc ăn uống hằng ngày Lương nước này tiêu thụ nhiều hay ít tuỳ thuộc vào vùng khí hậu, vị trí địa lý và cư địa lừng người; có thê tăng lên đến

3 4 lít đối với những nơi có khí hậu nóng Tuy nhicn, so với nước sử dụngcho sinh hoạt thì lượng này thường không dáng kế Lượng nước sinh hoạt có ihc thay dổi từ vài lít/ngày trong các quốc gia khỏng có dịch vụ cấp nước công cộng và có tập quán gia dinh thấp đến vài trăm lít/ngày trong những nước phát triển Nói chung, khoáng 2/3 số dân trên thế giới sứ dụng trung bình 140 lít nước/ngày

Việt Nam là nước đỏng dân, đất canh tác ít, diện tích canh tác tương (lương Trung Quốc, nhưng mức tiêu thụ và sử dụng nước chưa bằng các nước

13

trong khu vực và thế giới Mức tiêu dùng cho thúy lợi và tưới tiêu đạt 3% (thập kỷ 1970) giam dần xuống 2% (thập kỷ 1980) và nay tăng trướng dần lên thứ 6 thê giới vé sử dụng nước (91,4 tỷ m'); mức sứ dụng theo đầu người

là 1,184m '/người (năm 1995) (Theo Nguyễn Tiến Đạt Dự báo sử ílụtìịi nước ở Việt Nam Chương trình KC - 1 2 )

Bảng 1.2 Phản phối nước sinh hoạt

Địa phương Phân phối Lượng nước được phản phối (líưngười)

Min - Max Trung binh

Nông thôn Trong nhà hoặc vòi lấy nước

Nhóm tiêu thụ nước thứ ba là các cơ quan, công ty và các dịch vụ cóng cộng khác nhau như ưưừng học, bệnh viện, bê bơi, quét đường, Ngoài ra, một sỏ ngành công nghiệp cũng sử dụng nước cấp công cộng Nhóm này thường sứ dụng một lượng nước cấp lớn

Cuối cùng phái kế đến cả lượng nước bị thất Ihoát trong quá trình sứ dụng Sản lượng nước của một hệ thống phân phối dược xác định qua mối quan hệ giữa thế tích nước mà người tiêu dùns nhận được với lượng nước dược dưa ra khói nhà máy Một hệ thống tốt thì sản lượng phải đạt 80% Ví

dụ, ở Pháp, 50% các hệ thông có sản lượng < 70% , trong đó 25% các hệ thông có sản lượng < 60% (Lyonnaise des Handbook) Bảng 1.3 trình bày những thay đối trong nhu cầu về nước ở những lối sống khác nhau

Bảng 1.3 Nhu cẩu về nước của các đôi tượng khác nhau

Địa phương Nước (m3/người/nãm) Địa phương Nước (m3/người/nãm)

Hiện nay, ớ Mỹ, lưựniỉ nước sử dụng bình quân khoảng l.6xlO 'W /ngàv, bằng khoảng 10% tống lượng nước mưa rơi trên mặt đất Lượng nưức sử

dụng cho nông nghiệp và công nghiệp chiếm xấp xỉ 46% tống lượng nước tiêu thụ Lượng tiêu thụ cho dô thị chiếm 8% tống lượng nước.

Vấn đổ chính liên quan dến cáp nước toàn cầu là sự phân bô không đều theo thời gian và khu vực trên Trái Đất Sự phân bô không đều này phụ thuộc chú yếu vào các yếu tô khí hậu là bức xạ và mưa Mặc dù lượng mưa irung bình hằng nãm trên toàn bộ lục địa là 700mm, nhưng vẫn có những thay dổi trong một khoáng rộng giữa các vùng khác nhau cả về tống lượngmưa và mùa mưa Cháng hạn, ở vùng sa mạc Atacama - Chi lê lượng mưa

chi vài min/năm, trong khi ở vùng Cherrapunji - An Độ là 26x 10’mm/năm.Lượng mưa bình quán nhiều năm ớ Việt Nam tưưng đối lem (1.957mm), ứnhững trung tâm mưa lượng mưa rất lớn (ví dụ, Bắc Quang - Cao Bằng là5.00()mm, Bạch Mã - đèo Hải Vân là S.OOOmm (GS Ngỏ Đìnli Tuấn). Đặcbiệt lượng mưa ngày cực lớn như trận mưa nãm 1999 ớ Huế tới 1.430mm.Một sô quốc gia có dú nước mưa hằng năm nhưng hầu hết lại tập trung trơngcùng một thời gian, ví dụ ớ Ẩn Độ, 90% lượng mưa hằng năm đổ vào tháng

7 - 9 Những cơn mưa lớn kéo dài này làm ngập đất, lấy di các chất dinh dưỡng của đất, làm trôi các lứp đất mặt và cây trồng, là nguyên nhân cùa những trận lụt ớ dồng bằng Ớ Anh, giá trị mưa trung bình cho những vùng đất thấp là SOOmm/nãm, irong khi ở vùng phía Tây là 2.500mm/nãm\

ơ các vùng vĩ dộ cao, nhiệt độ thấp, mùa nhiều nước là mùa xuân, dó là lúc băng tuyết tích luỹ được trong suốt mùa dông bị tan cháy khi thời tiết ấm lên Lượng dòng cháy trong mùa này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào lượng nước trữ dược trên lưu vực và vào lượng mưa trong thời kỳ tuyết tan Mức độ tập trung của dòng cháy và độ dài của mùa phụ thuộc vào trường nhiệt và cường

dộ bức xạ của khu vực Mùa ít nước còn gọi là mùa cạn (mùa khô), lượng dòng cháy trong mùa chú yếu dược cung cấp nhờ nguồn nước ngầm nên nhỏ

và ổn dịnh hơn dòng chảy mùa lũ

Trong các vùng vĩ độ thấp và trung bình, nhiệt độ cao, mùa nhiều nước gọi là mùa lũ Dòng cháy trong mùa lũ chủ yếu do mưa cung cấp Do dó, thời gian xuất hiện lũ và độ dài của mùa dược quyết dinh bới thời diêm xuất

Đáu thê ký X X Iưưiig nước dùng ch o nông nghiệp chi khoáng 5 0 0 lý m ' dự kiến nam 2 0 0 0 là 3 3 0 0 lý m ’: lượng Iiước sình hoại tăng vào khoáng lừ 2 0 lý lên 4 0 0 tý m\ ' liê n mạt đất hằng nam có lượng dòng cháy là 1 0 l.0 0 0 k m '/n ã m =s 7 5 0m m /n ám tống

lượng bôc hơi là 74.000km7nâm « 545 mm/nàm Trên mặt biến, hàng năn) có lưựiig bốc hơi

là -151.000xl0"kmVnãm « 940mm/nàm lượng mưa là 324.000km ‘/nám « 870mm/nam.

15

hiện và kéo dài của mùa mưa Mưa càng lớn và tập trung thì dòng cháy mùa

lũ sẽ càng lớn và quy mô lũ càng ác liệt

Báng 1.4 dưới đây cho thấy rõ sự phân bố các nguồn nước trên Trái Đất theo các dại dưưng, biên và các châu lục địa

Bảng 1.4 Phân bô nguồn nước trên thê giới

Lục địa hoặc

các vùng

sườn Đại Tây Dương

sườn Thái Bình Dương

Vùng lưu vực nội địa

Tổng diện tích của dát

F.105km2

Dòng chảy (mm)

F.103km2

Dòng chảy (mm)

F.10Jkm2

Dòng chảy (mm)

F 1 0 W

Dòng chảy (mm) Châu Âu kể

cộng dồng sống ứ các vùng sa mạc và hoang mạc, loài người sông chú yếu ứ lưu vực sông4.

Hình 1.2 Các lưu vực sông chính trên th ế giới

1.2 Sự TUẨN HOÀN CỦA NƯỚC

1 2 1 Chu trình của nưỏc

''iước cung cấp cho toàn cầu được phân bổ trong 5 phần của chu trình tliuý quyển (hình 1.3)

Jhần lớn lượng nước này nằm trong các dại dưưng; một sô nằm ở trạng thái ắn như đá và tuyết ứ các tảng tuyết, băng và băng ở địa cực; nước bề mặt :ó trong các kho Irữ nước như ao, hồ, sông, suối; nguồn nước ngầm nằm tron; các tầng nước ngầm dưới dát; phần nhỏ khác có ờ dạng hơi nước trong khí tuyển

'Ihờ chu trình luân chuyển, nước dược phân bỏ di khắp mọi khu vực trẽn ”rái Đất Vòng tuần hoàn của nước hoạt dộng được nhờ sự hấp thụ nãng lưựTi; Mặt Trời dê tạo ra sự bốc hưi nước từ các đại dương và đất liền Một các hđưn giản là sự bay hưi nước biển, nước bề mặt và sự hô hấp của cây cối

Phần bề mật Trái Đất bao gồm cá tầng đất đá cung câp nước cho mỗi hệ thống sông

h o ặ c nộ! con sông riêng biệt gọi là lưu vực hệ thống sông, hay lưu vực sông hoác phán đất

có stôig và các nhánh cùa chúng cháy qua.

sau đó sẽ ngưng tụ thành mây, mưa, Ngoài ra, gió, sóng và các dòng vật chất trong khí quyển cũng dóng góp vào sự lưu thông của cá khối không khí

và khỏi nước

Hinh 1.4 Trữ lượng nước trong các phần của chu trình thuỷ quyển

(Đơn vị: x1015kg)Khoảng 1/3 năng lượng Mặt Trời dược bề mặt Trái Đất hấp thụ được dùng cho việc làm bay hơi nước từ bề mặt các đại dương, ao, hồ, sông, suối

và mặt đất Lượng nước bay hơi hàng năm trên Trái Đất khoáng trên

50().()()0km' Phần lớn lượng nước này được bốc hơi từ mặt biển và dại dương (86% tổng lượng hốc hơi, tức là khoáng 430.000km ') sẽ trớ lại đó dưới dạng mưa và luvêì (nhưng chỉ còn là 78%, tức khoáng 390.000km ') tạo nõn vòng tuần hoàn dầu ticn gọi là VÒIIỊỊ mần lioàn nlió. Phần còn lại, hơi nước theo các khôi không khí di từ đại dương vào dãt liền, gặp điểu kiện thuận lợi lại ngưng tụ thành mây, mưa rơi trên đất liền (khoáng 120.000km ) Lượng mưa rơi trên đất liền thực tế lớn hơn (57% ) lượng hưi nước dược bốc hơi lên từ đất liền Mưa rơi trên lục địa một phần thấm vào trong dàì, một phần cháy trên mặt đất hình thành nên các dòng sóng, suôi; phần còn lại lại bị bốc hơi Quá trình mưa rưi trên đất liền vào hệ thống sòng, suối, rồi sau dó lại bốc hơi lặp di lặp lại Nhưng cuối cùng nước từ lục dịa sẽ quay trớ về biến cả nhừ các dòng chảy của sống, suối và sự thấm trực tiếp của nước ngầm vào các đại dương đê hình thành VÒHÌỊ tuần hoàn lớn trcn Trái Đất Một phần rất nhỏ của lổng lượng nước tuần hoàn (gần S.ƠOOkm ’) sẽ hình thành nên vòng tuần lioàn trong phạm vi các miên không hni ihônỊỊ. Vòng tuần hoàn này, ứ một mức độ nào dó mang tính chất dộc lặp mặt dù có liên quan với sự luítn hoàn chung của nước Nót dặc trưng cúa vòng mán hoàn này là nước đi ra dại dương không phái bàng các dòng chảy trưc tiếp mà ớ dạng hơi nước cuốn theo các khối không khí tạo ncn độ ẩm đặc trưng cùa vùng

1 2 2 Thời gian lưu của nước

Thời gian “lưu” trung bình của hưi nước trong khí quyển là khoáng 11 ngà/ Trong khí quyển, hơi nước muốn dịch chuyển hoặc tồn tại đưực dõi hỏi ohái có sự hấp thụ năng lượng và như vậy nó sẽ có xu thế làm giảm nhiệt

độ ụi hổ mặt chung cúa không khí và nước Năng lượng này lại dược giải phóng ra khi hơi nước ngưng tụ Vì vậy, sự vận dộng của hơi nước có tác

đụ n ’ chuyên năng lượng nhiệt lừ vùng này sang vùng khác Nước sẽ bốc hơi nh.anh nhất ứ những nơi có nhiệt độ cao nhất và ngưng tụ ứ những nơi nhiệt

độ tiâp hơn Nhờ thế, chu trình nước có tác dụng làm giảm sự khác nhau về nhiiịỉ dộ giữa các vùng

‘Tliời gian sòng” hoặc 1 chu kỳ luần hoàn cùa nước phụ thuộc vào các ngiuon nước và môi trường khác nhau Chu kỳ này có thể rất dài (hàng thiên niô:nký) và cũng có thê rất ngắn Chẳng hạn:

Chu kỳ trung bình của hơi nước trong khí quyên là 11 ngày (12.900km ).Nước luân chuyên trong hệ động - thực vật là 7 ngày (700km')

- Nước sông luân chuyên khoảng 14 ngày (1.700km')

1 9

- Nước trong đất luân chuyển từ 2 tuần đến 1 năm (65.000km').

- Nước ở hổ và dầm lầy có thời gian sống đến hàng năm (125.000km ’)

- Nước ngầm có chu kỳ hàng ngàn năm (7.000.000km ’)

Nước băng hà có thời gian sống tới hàng triệu năm (26.000.000km ()

- Nước đại dưưng có chu kỳ dài hàng tỷ năm (1.370 tỷ km')

1.3 PHÂN LOẠI NƯỚC Tự NHIẼN

Nước có mặt trong thiên nhiên từ rất nhiều nguồn khác nhau như sông ngòi, ao hổ, suôi, mạch ngầm, biến, đại dương, Có thc nói, nước thiên nhiên

là một hệ dị thế nhiều hợp phần, trong đó có cả chất tan và chất không tan có nguổn gốc hữu cơ hoặc vô cơ Các chất đó có thê được dưa từ khí quyến vào; hoặc cũng có thể bị hoà nhập vào từ quá trình phong hoá các quặng đât dá, hoặc từ các hoạt động sông và quá trình phân huỷ, thỏi rữa; từ nước thái cúa sán xuất cóng, nông nghiệp, hoặc nước mưa chảy đổ vào nguồn nhận

Vì vậy, con người có thế nhận được nước mặn, nước lợ, nghèo dinh dưỡng, giàu dinh dưỡng, cứng, mềm, nước bị ó nhiễm hoặc không bị ô nhiễm,

Có nhiều cách phân loại nước khác nhau như:

1 3 1 Phân loại theo sự phân bô

1 3 4 Phân loại theo độ cứng (H - me/1)

1 3 5 Phân loại theo độ khoáng hoá

Phân loại chung: nước nhạt là nước có hàm lượng muôi khoáng < lg/1; nước lợ: 1 - 25g/l; nước mận > 25g/l

Phân loại nước sông ngòi theo Aliokin: bậc 1, 2, 3, 4 5 có dộ khoáng tương ứng < 100, 100 - 200, 200 - 500, 500 - 1.000, > 1.000mg/l với tên là

độ khoáng rất nhó, nhỏ, Irung bình, tương đỏi cao và cao Đa sô các sòng trên thế giới có độ khoáng bậc 1, 2 và 3

- Phân loại nước khoáng: nước khoáng có độ khoáng hoá rất thấp: < lg/I; khoáng hoá thấp: 1,0 - 5,0g/i; khoáng hoá trung bình: 5,0 - 10,0g/l; khoáng hoá cao: 10.0 - 35,0g/l; khoáng hoá rất cao: > 35,Og/l

1 3 6 Phân loại theo thành phần hoá học

Dựa vào thành phần các anion có mặt trong nước, Aliokin phân loại nước theo 3 nhóm anion chính HCO, , S 0 42 và C1 có mặt trong nước thành các lớp:

Lớp bicacbonat (HCO, + c o , ) : đặc trưng cho nước sông hồ ngọt, nước ngầm có dộ khoáng thấp

Lớp C1 : đặc trưng cho nước đại dương, nước Liman, hổ mặn

Lớp SO.,2 : dặc trưng cho các loại nước có dộ khoáng hoá trung gian giũa hai lớp trên

Mỏi lớp lại được chia thành 3 nhóm dựa Iheo các cation Ca?\ M g7’ và

K ' Na' có mặt trong đó Rồi từ dó mỗi nhóm được phân thành 4 kiểu dựa vào tương quan hàm lượng giữa tất cả các ion kê trên (tính theo mini đương lurẹng gam - mĐ)

Kiểu I có tương quan HCO, > Ca2+ + Mg2\ licn quan đến quá trình plhong hoá đá macma, hoặc trao đổi Ca3+ và Mg2+ với Na\ Nước kiểu này có

21

dộ khoáng hoá nhó, thường là nước các hồ lưu thông ít và có nguồn cáp nước chú yếu là nước ngầm.

Kiêu II có tương quan HCO, < Ca2+ + Mg2+ < HCO, + so.,2 Kiêu này có liên quan với cả đá trầm tích và macma, bao gồm nước của dại đa sô các sông hồ, nước ngầm; có dộ khoáng trung bình và nhỏ

Kiểu III có tương quan HCO, + S 0 42 < Ca2++ Mg2+ hoặc C1 > Na" Nước kiếu này có dộ khoáng hoá cao, bao gồm nước Liman, nước có độ khoáng hoá cao trong hồ và nước ngầm

Kiểu IV có đặc trưng là vắng mặt ion HCO, Đây là kiêu nước axit, thường gặp ớ các vùng dầm lầy, hầm mỏ, núi lửa hoặc những nơi bị nhiềm bán mạnh

CẢU HỞI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1 Tại sao nói nước là một hợp chất tự nhiên quan trọng nhất cấu thành nên sự sống trên Trái Đất?

2 Nước có vai trò và ý nghĩa to lớn như thế nào đối với sự sinh tồn phát triển và diệt vong của con người trên hành tinh?

3 Là một hợp chất hóa học dơn giản, nước thường có mặt trong các phan ứng hóa học hoặc dược sinh ra từ phản ứng hóa học, nước là môi trường cho các quá trình điện hóa và các quá trình sông cơ ban Viết các phán ứng chứng minh diều này

4 Gộp thành một quyến cùa Trái dắt nước dược chứa dựng trong năm phan cua Thủy quyên là những phần nào? Trình bày chu trình thúy quyên, trong dó làm rõ vai trò của bức xạ Mặt Trời, các vòng tuần hoàn, mối liên hệ dất nước không khí và thời gian lưu cua nưóc trong các phần khác nhau cùa thủy quyên

5 Nhu cầu về nước, nguồn nước con người sử dụng chính là những loại nước nào? Khi nào phài dùng các loại nước khác? Trình bày sự phân bổ nước và giải thích tại sao lại có sự phân bố không dều lirợng mưa trên toàn cầu theo không gian và thời gian

6 Nêu các cách phân loại nước tự nhiên, ý nghĩa và ứng dụng cùa nó

Chương 2 ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC

2.1 PHÂN TỬ NƯỚC VÀ LIÊN KET HIĐRÔ [3, 9, 31, 35]

2 1 1 Câu tạo của phân tử nước

Nước dược ký hiệu một cách dưn gián nhất với công Ihức là H:0 Thành phán hoá học của nước được nhà hoá học Pháp nổi tiếng Lavoa/ie (1743 1794) xác định năm 1783 Nước chứa 11,19% hiđrô và 88.81% ôxitheo khối lượng Khối lưựng phân lứ cua nước là 18,0153 Trong thực tế, cá nguyên tử hidrỏ (H) và ôxi (O) đều có nhiều dồng vị"' Tính chất vật lý của nước phụ thuộc nhiều vào thành phần dồng vị và câu trúc của phân tử nước Trong tự nhiên có thế có các phân tử nước dược cấu tạo từ các dồng vị bền khác nhau như I I 1, 11 (D), H1 (T), o 16, O w, o '* ; trong đó, hàm lượng các phân tứ kicu I c h i ế m da số Các kiêu phân tử nước còn lại dược gọi là

“nước nặng” và chi chiếm khoáng 0,015% tổng thế tích nước trên Trái Đất

và nồng dộ khoáng 10 IH% (theo P.O’ Nell.), nhưng dã tạo ra những điều hết sức thú vị về nước"

Về câu lạo, phân tử nước được tạo nên từ 2 nguyên tử H và 1 nguycn tứ () Cấu hình eỉcctron cứa nguyên lử () và H như sau:

Như vậy, phàn tứ H ,0 có tất cá 10 electron, trong dó 8 clectron là của nguyên tứ o và 2 electron là cúa 2 nguyên lử Ị 1 tạo thành 5 cặp electron và dược phân bô như sau:

10 Đã gập 3 đổng vị cùa hiđrô và 6 đổng vị của ôxi ( " O : |sO; l60 ; i70 : '"O và wO ) tạo thành 36 dồng vị nước khác nhau, trong dó có 9 đồng vị bền.

" Tý sỏ nồng độ tự n h ic n cùa T: II' [rong khí quyên = 1 : I 0 14 Lượng Dơtcri trong hỗn hợp c á c (lổng vị thiên nhiên cùa lúđrồ là 0 0 1 4 0 0 1 5 % Nước nặng hoà lan các chất kém hon nước Ihường C ác loai nước nậng như 'II T O : D T O : T , 0 còn dược sứ dung trong nghiên cứu c á c phán ứng hat nhân.

23

- 1 cặp electron bèn trong nằm gấn hạt nhân của nguyên tử o.

- 2 cặp electron bên ngoài tạo thành 2 liên kết (H - O) nhờ sự gópchung điện tứ cúa 2 nguycn tử H với 2 điện tử trong 2 orbital 2p cùa () dêtạo thành 2 liên kết cộng hoá trị

- 2 cặp electron bên ngoài là 2 cặp eleclron của 2 orbital của nguyên lử () không tham gia tạo liên kết trong phân tử nước

theo thang Paolinh), nên các mây điện tử bị hút

lệch về phía nguyên tử o làm cho liên kết cộng hoá trị H - o trứ ncn có cực với mồmen lưỡng cực là ^I0H = 1,54 D và 2 mối liên kết H - o tạo với nhau một góc 104‘’27\ Vì vậy, phân tử nước phân cực mạnh với mômen lưỡng cực phàn tứ |IH;0= 1.84 D 12

(pm (picômét) lá dơn vị đo độ dài; 1pm = 10,2m).

12 D là ký hiệu (theo dơn vị dặc biệl I) = Đ cb y e ) dê do m ôm en lưỡng cự c diện, tức là

- Nó gần như chỉ trư trọi một proton mang điện tích dương, không có lópv'ỏ diện tứ mang diện âm Vì vậy không bị vỏ diện tử của các nguyên tứ ha>ion khác đẩy.

Kích thước của nó rất nhỏ (nhỏ hơn các ion khác hàng ngàn lần) Vì thế, ionH' dẻ đến gần sát các nguyên tử và ion khác, thậm chí xâm nhập cả vào béntrong lớp vỏ điện lứ của các nguyên tứ và ion khác Dơ đó, ion hidrô có một khánãng đặc trưng là tạo thành mối liên kết thứ hai, tức là liên kết hiđrô

Dặc diêm cùa liên kết lìidrô:

Do sự có mặt của cả II và o nên giữa các phàn tứ nước với nhau dẻ dàng hìnl thành các liên kết hiđrỏ Liên kết hidrô kém bền hơn nhiều so với liên kết cọn; lioá trị thông thường (nãng lượng licn kết hiđrô khoáng 10 - 40kJ/mol'\ trom khi năng lượng liên kết hoá học thông Ihường cỡ hàng trăm kcal/mol), nhuig bền hơn lực Van der VVaals (năng lượng từ 2 - 10kJ/mol) Liên kết hidỏ gày ra hiện tượng trùng hợp phân tử, do dó iàm xuất hiện mộl sỏ tính chà lý học và hoá học bất thường của các chất, cụ thê là:

- Tăng nhiệt dộ nóng cháy, nhiệt độ sôi và nhiệt bay liưi của các chất (doliên kết hidrô ngoại phân tứ) Sớ dĩ như vậy là vì hiện tượng trùng hợp phâi lứ làm cho khối lượng phân tứ trung bình của chất tăng lên và lực hút giữ các phân tứ tăng lên

- Hiện tượng trùng hợp phân tứ còn gây ra sự biến dổi bất thường về khô lượng riêng Đáng lẽ khi tăng nhiệt độ do sự giãn nở nhiệt thì thể tích các •hất tăng lên và khối lượng riêng phải giám di Nhưng khi có hiện tượng trùn’ hợp phân tứ, nhiệt độ lăng lên, liên kết hiđrô gãy ra thì sự biến đối khô lương riêng không đơn điệu như vậy nữa mà phụ thuộc vào dạng và cácỉ phôi trí các phân tử dưới ánh hướng cúa liên kết hiđrô Điều này có thê thà' rõ khi xét những tính chất vật lý bất thường cúa nước (trình bày ớ phần tlưỏ dâv)

Hiện tượng trùng hợp phân tử làm giảm độ điện ly và giảm tính axit của 'hất Ví dụ, llorua hidrô (HF) nếu suy đoán đơn gián dựa vào dộ âm điệi thì phái có tính axit mạnh cỡ 1ỈC1 HBr Nhưng do liên kết hidrô gây ra hiệi tưựntí trùng hợp phân tử tạo thành các phân tứ dạng (HF)2 diện ly yếu:

(HF)2 » HF2 + H*

lon (F - H ,F) khá bền, do dó sự điện ly tiếp tục đê tạo ra H+ rất khó

kh ãi, và kết t]uá I II7 chỉ là một axit có độ mạnh trung bình

1 l J = 0 ,2 3 9 c a l : lc a l = 4 1 9 J

25

- Liên kết hidrô giữ vai trò quan trọng trong nhiều quá trình hoà lan vì

dộ tan của nhiều chất phụ thuộc vào khả nâng tạo liên kết hiđrỏ giữa phân tứ chất tan với phân tử dung môi dê hình thành các sonvat Ví dụ liên kết hidrô được hình thành giữa phân tứ rượu etylic và nước:

2.2 CẤU TRÚC CỦA NƯỚC [2, 8, 30, 34]

2 2 1 Quan niệm về câu tạo của phân tử nước

Nước là chất lỏng quan trọng nhất trong các chất lỏng Qua ánh nhiễu

xạ tia Rơngen người ta dã xác dịnh dược rằng, trong nước lỏng vẫn còn giữ một phấn câu trúc tinh thê cua nước dá, trong dó mỗi phân tử nước liên kết với 4 phân lừ nước bao quanh nó bằng licn kết hiđrô hướng iheo 4 dính của

lứ diện dều

Giữa các yếu tô cấu trúc tứ diện như vậy có những lỗ trống kích thước lớn hưn kích thước của phân tử nước Tuy nhiên, cấu trúc nước lỏng khác cấu trúc nước dá ớ chỗ trong nước lỏng do sự uốn cong và kéo dài các môi liên kết hiđrô ncn sự phân bỏ các phân tứ nước ít nhiều bị lệch khỏi cách phàn bô tứ diện chật chẽ, các phàn tứ nước nằm sai lệch về cấu trúc xáy ra càng mạnh và chuyên dẩn đến cấu trúc hỗn độn

Hình 2.1 Một mảnh nhỏ cấu trúc của nước

Vì vậy, người ta nói nước lóng chỉ có cấu trúc “trật tự gần” Ngoài ra, do chuyên động nhiệt, một phần liên kết hidrô bị phá vỡ và lại dược láp lại, phân tứ nước chuyến từ yếu tô cấu trúc lứ diện này sang yếu tô cấu trúc tứ

H

H O - H

H

diện khác nên các phán tử nước liên tục chuyên động tịnh tiến Do dó nước

có khá năng lự khuếch lán

Nếu theo quan dicm cùa thuyết “dáo tinh thế” thì có thê hình dung trong nước lóng có càu trúc cứa nước đá, tức là những “đảo tinh thể” nằm giữa một tập hợp nước chuyên dộng hỏn loạn Với chất lòng là nước, hiện tưựng này bicu hiện rõ hơn trong các chất lỏng khác

2 2 2 Ba trạng thái của nưỏc

Do những yếu tô cấu trúc tinh thê như vậy, đồng thời do có mômen lưỡng cực phân tứ lớn mà hằng sô điện môi cùa nước có giá trị lớn (bằng 79,5 ứ 25"C) và nước có những tính chất đặc biệt như có khá năng hoà tan và diện ly nhiều chất, nhiệt dộ sỏi cao, nhiệt độ hay hơi lớn, Có thế nói, cấu trúc cùa nước tuỳ thuộc vào trạng thái vật lý của nó J Bernal, R Fauler và Poling là những người dày công nghiên cứu về cấu trúc đặc biệt của nước nhát Trong các dạng cấu trúc nước thì cấu trúc tổ hựp phân tứ trong bãng là được nhiều tác giá nghiên cứu hơn cả Nhiều nghiên cứu cho thấy:

ơ trạng tliái klií (liơi), nước có công thức hoá học chính xác là H20 Cấu tạo cúa phân tử nước ở trạng thái này dược giải thích như sau:

Phân tử nước dược tạo thành từ 1 nguyên tứ o và 2 nguyên tứ H Nguyên tứ () có hai diện lứ p độc thán có mây điện tử hình quá chuỳ phân

bố theo những phương vuông góc với nhau (hình 2.2)

Khi tạo Ihành phân tứ nước thì 2 orbital 2p này sẽ xen phú với 2 orbilal

l s của 2 nguyên lứ II dọc theo các trục của các mây p cúa nguycn tử o dê xcn phú dạt tới mức lớn nhất nhằm lạo ra 2 liên kết ơ o - 11 với góc giữa 2 mòi liên kết o - I I bằng 90" Thực nghiệm cho thấy, góc liên kết này là

104 2 7 ’(> 90") là do liên kết o - H là liên kết cộng hoá trị phân cực, các mây điện lứ bị hút lệch về phía nguyên tử o làm xuất hiện điện tích dương ớ

27

phía nguyên tứ H; sự đáy nhau giữa 2 nguyên tử H mang điện tích dương dần dến sự mờ rộng góc giữa 2 liên kết Với cách giái thích này, phân lử nước sẽ có cấu tạo hình tam giác pháng (hình 2.3)

Ớ các trạng thái ngưng tụ (nước và nước đá), nước có cấu tạo phức tạphơn và điểu đó giải thích cho những tính chất bất thường của nước Ở các trạng thái này, nước thường tồn tại dưới dạng các phân lử trùng hựp với công thức là (H20)„ Khi dó, nguyên tử o trong nước có trạng thái lai hoá sp\ tạo thành 4 orbital lai hoá mà trục của 4 orbital này hướng về 4 dinh của 1 tứ diện đều với nguyên lứ o ở tâm của tứ diện và góc liên kết là 104"27

Trong trạnq thái lỏng, nước tồn tại chú yếu ớ dạng phân tứ nhị hợp (H20 ) 2 Một sô phân tứ nước bị kết lại với nhau nhờ liên kết đặc biệt là liên kết hiđrỏ, thông qua cầu nối hidrô của phân tứ nước này với nguyên tứ o của phàn tứ nước bên cạnh tạo nên cấu trúc lứ diện trong không gian

Hinh 2.4 Nguyên tử o khi tham gia lai hoá và mõ hình cụm đung đưa

(theo Nemethy và Scheraga, 1962)

Cơ bản dã lai hóa Mỏ hinh đám mảy e của 0 2

Trạng thái cơ bản và đả lai hoá của nguyên tử o

Sơ đổ phân tử nước có nguyên tử o

ở trang thái lai hóa sp3 (Horne 1969)

Mò hình cum nước lỏng ở trạng thái lai hoá sp

TroiiỊỊ trạng tliái rán: ở thê rắn n thường bằng 3, khối nước dá dược cấu tạo bao gồm I phân tứ nước ứ vị trí trung tâm và 4 phân tứ nước khác nằm ớ

4 dinh cúa I khôi 4 mật

Hình 2.5 Cấu trúc bôn m ặt của nước ở trạng thái rắn

(theo Gray, 1973)Trong nước đá, một nguycn tứ o phôi trí với 4 nguyên tứ H bằng 4 mỏi liên kết, trong dó có 2 liên kết cộng hoá trị và 2 liên kết hidrô (hình 2.5) Vì mối liên kết hidrô (O— H) có dộ dài lớn hơn nên cấu trúc này tương đối xốp, dần đốn tỷ trọng nhỏ hơn và làm cho nước đá có dạng trong suốt Khi tăng nhút độ, nước đá tan chảy, một phần liên kết hidrô bị phá vỡ (khoảng 15%)

và (ác phân tứ trime chuycn dần thành các phân tử dimc làm cho khoảng cáci trung bình giữa các phân tứ giảm xuống Kết quả là nước lỏng có khôi lưựig riêng lớn hơn nước đá Nếu tiếp tục dun nóng thì một mặt liên kết liidr) tiếp tục bị phá vỡ làm cho khoáng cách giữa các phân lử giảm xuống Mặikhác, nước bị giãn nớ nhiệt làm cho khoáng cách giữa các phân tử tăng lên Iư 0 4 'Cquá trình thứ nhất (phá vỡ licn kct hiđrô) trội hưn, do dó khốilưựig riêng của nước tiếp tục tăng lẽn Nhưng từ 4"C trở lên quá trình thứ hai (sự í lãn nớ nhiệt) trội hơn và bây giờ nước lỏng chù yếu cấu tạo từ các phân

tứ mị hợp ( H , 0 ) 2 nên sự biến dổi về mặt trùng hợp không còn là chủ yếu nữa Do dó, từ 4' C trớ lên khôi lương ricng của nước lại giảm xuống

Việc nghiên cứu những biến dạng tinh thê (đặc biệt nhờ sự giúp đỡ của phố Raman) dã cho phép chúng ta hiếu dược sự chuyến giao từ cấu trúc tinh thò nỏ cúa nước dá sang trạng Ihái lỏng 'ITieo Bernal và ỉauler, nước có cấu trúc kicu trirne đa phần ở nhiệt độ < 4"C Trong khoáng từ 4 - 20CTC mạng lướitinh thê cúa nước sáp xốp Ihco kiêu thạch anh, các phân tứ dày chặt hưn

29

Trên 200"C, giữa các phân tứ nước không còn liên kết hiđrô nữa, nó tồn tại ứ trạng thái đơn phân tứ (thể hơi).

Nhừ có cấu trúc linh dộng như vậy, nước dã trở thành một chất lỏng dặc biệt có những tính chất lý, hoá học kỳ thú, quan trọng đối với sự sống và xác định hành vi của nước trong môi trường Trong đó, nhiều tính chất của nước dưựt' quvôt dịnh bới cấu trúc phân lử phân cực và khả năng hình thành licn kết hiđrỏ Những tính chất đặc biệt này của nước được tóm tắt trên bàng 2.1

Bảng 2.1 Tính chất quan trọng của nước

1 Dung mòi tuyệt vời Vận chuyển dinh dưỡng va chất thải cho các quá

trình sinh hoc tiến hành trong môi trường nươc

2 Hằng số điên môi cao nhất trong các

Trạng thái vật lv cùa nước ánh hướng mạnh đến các quá trình hoá học

và sinh học xảy ra trong nước

2 3 1 Ty trọng và thể tích của nước

Do có câu trúc phân tứ đặc sít (trùng hợp) mà nước có tỷ trọng thay dổi tlieo nliiệt dộ vù áp suất. Ở 0"C, tỷ trọng của nước lỏng là 0,99987kg/dm '; nước đá là 0,9168kg/dm !; hưi nước là 0,624kg/dm' và có tỷ trọng cực đại ứ

3,9S"C Khỏi lượng của 1 lít hơi nước bão hoà ớ 200"C và latm là 0.5974g Báng 2.2 cho thây các giá trị lý trọng của nước tinh khiết ở những nhiệt độ khác nhau.

Bảng 2.2 Sự thay đòi tỷ trọng nước theo nhiệt độ

Khi nhiệt dộ cúa khỏi nước nhò hơn 4"C quá trình đối lưu nhiệt diễn ra ngươc lại Khi nhiệt độ bề mặt trên của nước giảm, tỷ trọng lớp nước bé mặt giam nhỏ hơn tý trọng nước ớ táng sâu Vì thế, quá trình dối lưu nhiệt không xảy ra Nước ỏ lớp mặt lạnh di đến điểm dóng băng, còn ờ các lớp nước sâu hơn nhiệt độ nước' lớn hơn 0°c và nhỏ hơn 4"C nên các hồ nước sâu không bị

31

dóng băng tới đáy Môi quan hệ có một không hai íỊÍữa tỷ trọng và nliiệí (lộ của nước là tiền dc dc hình thành nên các tầng khác biệt trong những vùng nước không chảy Tính chất vật lý này của nước dược thê hiện trên hình 2.6.

(

Cản bằng nhiẽt đỏ dẫn tới đảo trôn theo phương thảng đứng

Vùng nước ấm phía trén Vùng di thường nhiệt Vùng nước lanh phía dưới

Mùa Xuân Mùa Đông

Không khí lanh dưới 0°c Nước đả

Nước giữa 0°c và 4°c

Nước ở 4°c

Gradient nhiẽt Cản bằng nhiệt đỏ dẫn tới đảo trộn

theo phương thảng đứng

Hình 2.6 Sự phân tầng nhiệt và sự xáo trộn nước dưới tác động của nhiệt dộ

Độ khoáng cũng làm thay đổi mạnh tỷ trọng Chảng hạn, nước biển với

độ mặn là 35g/l có tỷ trọng trung bình là 1 0 2 8 1 kg/1 ớ 0”C Nếu thuỷ vực có hàm lượng muối khoáng thay đổi lg/1 sẽ gây ra sự thay đổi tỷ trọng bằng 0,0008kg/l

Khi xem xét nước dưới áp lực của các quá trình ihuỷ vãn thông thường, người ta thường lầm tưởng nước là một chất lỏng không bị nén Tuy nhicn, trên thục tê nước có tính dàn hồi: thế tích của nó giảm di khoảng 0,048% sau mỏi lần áp lực tãng lên latm

Hưn nữa, với nước khi hạ nhiệt dộ xuống 0"C chảng những tỷ trọng của nước giảm xuống, mà còn xảy ra hiện tượng thè tích lăng đột ngột do sự chuyển pha từ lỏng sang rắn Nhờ vậy, băng nổi lên mặt nước và các sông hổ vùng ôn dới chỉ bị dóng băng ớ trên mặt, còn trong các lớp nước sâu hưn vẫn

có dòng cháy lưu thông Đây cũng là một diêm dị thường cùa nước (đa sô chất lóng khác khi chuyển sang trạng thái rắn thì thê tích giám)

2 3 2 Các tính chât nhiệt

a) Nhiệt (lung riêng c (tỷ nhiệt)

Nhiệt dung riêng của nước là 4,18kJ/kg"C (1 kcal/kg"C) ớ 0"C Nhiệt dung riêng cúa nước thuộc vào loại cao nhất so với các chất lỏng khác (trừ hidrô và amoniac), lớn gấp 4 lần nhiệt dung riêng của không khí và gấp 5 lần nhiệt dung riêng của granít Nhờ có nhiệt dung lớn nên sự thay đổi nhiệt độ cúa nước theo ngày, theo mùa không lớn như sự thay đổi nhiệt dộ của khỏng khí và dất đá Vì thế, để làm bay hơi nước lỏng chúng ta phái cung cấp một lưựng nhiệt lớn cho nó Và cũng nhờ vậy mà nước thường dưực dùng làm

chát CƯ bản dê so sánh nhiệt lượng.

Nhiệt dung riêng của nước thay đổi theo nhiệt dộ và đạt cực tiểu ớ 35"C Với các chất lỏng khác, nhiệt dung riêng thường tãng khi nhiệt dộ tãng, nhưng nước có nhiệt dung riêng thay dổi phức tạp theo nhiệt độ Trong khoáng từ 0 - 30"C nhiệt dung riêng cùa nước giám khi nhiệt dộ tăng Tại 3() 'C nhiệt dung ricng cùa nước đạt giá trị nhò nhất, bằng 0,9975kcal/kg.độ Khi nhiệt độ nước lớn hưn 3 0 ° c nhiệt dung riêng của nước tăng theo chiều tăng cúa nhiệt độ Nhiệt dung riêng của nước hằng l,000kcal/kg.độ tại 15"C

và "ơ c ơ dạng lỏng, nhiệt dung riêng của nước thay đổi rất chậm khi thay đổi nhiệt độ

Nhiệt dung riêng của hơi nước ớ 100"C và áp suất khí quycn bình thường bằng 0,462kcal/kg.dộ

Nhiệt dung riêng của băng ớ 0 ° c bằng 0,485kcal/kg.độ

b) Nhiệt chuyên pha (ẩn nhiệt)

Nhiệt chuyến pha từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng của nước (Cr) là 33(kJ/kg (hoặc 79kcal/kg), còn cho sự bay hơi (L) là 2.250kJ/kg (hoặc539ccal/kg) ớ áp suất thường và 1()Ơ’C An nhiệt hoá hưi của nước giảm khi Iihict độ nước tãng Quan hệ giữa án nhiệt hoá hơi với nhiệt độ nước được biei hiện bàng công thức kinh nghiệm:

L = 539 0,57tTrong đó: t là nhiệt dộ của nước;

L là nhiệt ẩn hoá hơi cúa nước (kcal/kg)

N hờ CẨỘ lớn dáng kế của tỷ nhiệt, nhiệt ẩn nóng chảy và (ỈI1 nhiệt bay liơi

m à ìước trớ thành kho dự trữ nhiệt khổng lồ trên bề mặt Trái Đất Đó cũng

là ll\do của việc sử dụng nước như mộl chất lỏng truyền nhiệt

c) Điểm sói và diêm dóng băng của nước

Trong diều kiện thuần khiết bình thường nước dóng băng ở U"C và sõi ứ 100"C So với các hợp chất hoá học tương tự (như H2S, IỈ2Se, II,Tc) cùng phân nhóm Via cứa “Báng hệ thông tuần hoàn các nguyên tố” thì nước có nhiệt dộ sôi và dóng băng cao dị thường'4. Tính chất dặc biệt này của nước được giái thích như sau: Khi ớ dạng lỏng, ôxi trong nước có trạng thái lai hoá sp’ và nước tổn tại ở dạng trùng hợp nhị phân tứ (H20 ) 2 - giữa các phân

tử nước tồn lại những liên kết liidrô ngoại phân tử Điều này đã làm cho nước

có nhiệt sôi và đóng băng cao Mặt khác, theo chiều từ trên xuống trong cùng một phân nhóm của báng hệ thống tuần hoàn thì độ âm diện giám dần(Xo > Xs > Xsc > Xtc) a ic liên kết H - s ít phân cực hơn; thê’ tích nguyên tử của các nguycn tố trong dãy tăng dần gây cản trớ việc hình thành liên kết hiđrô Bới vậy, các phân lứ iưưníỉ tự nước không có liên kết H2 đều có nhiệt

độ sôi và dóng băng thấp hơn nước nhiều, và ớ nhiệt độ bình thường chúng tồn tại ớ dạng khí Gián dồ trên hình 2.7 biêu diễn mối quan hệ giữa khôi lưựng phân tứ tương dôi với nhiệt độ dóng băng và nhiệt dộ sôi cúa cúc liợp chất với II cúa các nguyên tô trong phân nhóm Via

Hình 2.7 Quan hệ giữa khối lượng phản tử với nhiệt độ sòi và nhiệt độ đóng băng

d) Hệ s ố dẩn nhiệt của nước

Nước có hệ sô dẫn Iiliiệi Iihó và lăiiịỉ klii Iiliiệi do nước tăng. Hệ số dẩn nhiệt cúa nước ở 0"C bàng 0,00136cal/cm2.s.dộ; ở 2Ơ’C bằng 0,00143cal/cm2.s.dộ Do

hệ sô dẫn nhiệt phân tứ của nước nhỏ nên khá năng truyền nhiệt theo cư chê dẫn nhiệt phân tứ kém và không có vai trò lớn trong chê dộ nhiệt của các dối tượng nước

14 Trong dãy hợp chất với hidrô của c á c nguycn tô nhóm 6A (U : A ) nước có trọng lượng phân lứ nhỏ nhất lẽ ra phải đóng băng ớ 95 c và sôi ớ 70"c

2 3 3 Độ nhớt

Đô dicn tá khá năng chống lại những dịch chuycn khác nhau (kê cá bên trong và bén ngoài) cúa các phấn tử chất lóng người ta dùng khái niệm độ nhứt Tất cá các loại chất lòng thực dổu có tính nhớt nhất định, dược thê hiện dưới dạng lực tương tác giữa các phân tứ trong lòng chất lỏng dó (ma sát trong khi có sự di chuyến tương đối giữa các phần lứ chất lỏng) Đó là dộ nhứt dộng lực hay độ nhớt tuyệt dôi dưực tính bằng công thức:

F = tS = r|S.du/dy => 1] = F.dy/ s.du (Pa.s hoặc N s/n r)Trong dó: t - ứng suất - lực ma sát trong một dưn vị thời gian; 11 - hệ

sỏ độ nhớt; clu/dy - gradient vận tốc, nếu các lớp chất lỏng nằm rất gần nhau; F - lực nội ma sát trong chất lỏng

Ngoài ra, người ta còn dùng khái niệm độ nhớl dộng học, là tỷ sô giữa

độ nhớt động lực và tý trọng của chất lỏng:

V = r|/p = Fdy/Spdu (rrr/s)

Dỏ nhớt dộng lực dóng vai trò như một châì kết dính chống lại sự chu\ến dịch tương đỏi giữa các lứp chất lỏng tiếp giáp nhau Do đó, nó trò thành một yếu tô cán trớ chuyến dộng, gây nên sự biến đối cư năng thành nhiệt năng, làm tốn thát động nãng Mậl khác, do có tác dụng truyền tốc độ

từ lóp chất lỏng này sang lớp chất lỏng khác nên nó có vai Irò như một ycu

tô hình thành trường tốc độ cua dòng cháy Các chất lỏng dẻ chảy như nước, không khí có độ nhớt nhỏ Còn các chất lỏng khó chảy như glixerin, mỡ, thì cò độ nhứt lứn hưn Khi vận tốc chuyên động nhỏ, các lớp chất lóng chuyến động thành tầng không xáo trộn vào nhau mà trưựt lên nhau, độ nhớt dộng lực chí bị tốn thất thành động năng Còn trong cháy rối, tốc độ chuyển dộng lớn, độ nhứt động lực giảm, thậm chí mất hắn

Nói chung, độ nhớt của nước giảm khi nhiệt độ tăng Bảng 2.3 là các giá trị độ nhớt dộng lực cứa nước phụ thuộc vào nhiệt độ

Báng 2.3 Sự thay đổi các giá trị độ nhớt của nước theo nhiệt độ

t°c Độ nhớt tuyệt dôi TI (mPa.s) t°c Độ nhớt tuyệt đối TI (mPa.s)

Đây là nguyên nhân chú yêu cúa việc tiêu hao năng lượng nhiệt và cũng đóng góp một phần quan trọng vào việc xử lý nước.

Mặt khác, độ nhớt tâng cùng với nồng dộ muối tan tăng (bảng "* Chẳng hạn, nước bicn có dộ nhớt cao hơn nhiều so với nước sông

Áp suất cũng có ánh hướng dặc biệt lớn đến độ nhớt dộng lực của nước Trái ngược với các chất lóng khác, một áp lực vừa phải làm độ nhớt cúa nước giám xuống ở nhiệt độ thấp (từ 0"C đến 20 - 30"C), bói vì khi đó câu trúc phân lử cùa nước ớ dạng nén lại như bán thân nó dã có Nhưng khi áp suất tiếp tục tăng lên thì nước phục hổi lại cấu trúc của một chất lỏng tự do nhờ một ứng suất bên trong nào dó và lại tuân theo quy luật chung là độ nhớt tăng lên khi áp suất tăng

Bảng 2.4 Sự phụ thuộc của độ nhớt vảo dộ muôi

Độ muối Cl

(g/1)

Độ nhớt tuyệt đ ố i TI (mPa.s) ở 20°c

Độ muối Cl (g/l)

Độ nhớt tuyệt đối r| (mPa.s)

Ơ20°c

m ìn h lại Đó là nguồn gốc cúa lực căng bc mật (hình 2.8)

Hinh 2.8 Tương tác giữa các phân tử trong dung dịch với các phàn tử bế mặt

Khi dó cát phân lử nằm ớ lứp bé mặt có một dự trữ năng lượng lớn hơn

so với các phân tứ nằm bên trong Năng lương dư này của lớp bé mật ứng với

lc n ĩ bổ mật dược gọi là năng lượng bé mặt của chất lỏng Đây là một tính chất khác thường cua bé mặt phân cách giữa 2 pha Nó dưực xác (lịnh nhơ một sức căng lác động tại bc mặt của chất lóng và hướng tới giám diện tích

bé mặt đến mức có thê nhiều nhất Nước nhờ có sức hút rất mạnh giữa các phân tử mà tạo ra sức căng bổ mặt cao và khả năng bám dính lớn Nó là nguyên nhân tăng sự mao dẫn nước lên 15cm ớ nhiệt dộ 18"C trong 1 ông thiết diện 0,1 mm Trong tự nhiên, hiện tưựng mao dẫn nước trong đất đá có

2 3 5 Áp suất thẩm thâu

Áp suất cần thiết phải dặt vào một dung dịch dê dung môi không thấm vào dung dịch đó gọi là áp suất thẩm thấu Áp suất này không tồn tại và nó chi xuất hiện nếu dung dịch được ngăn cách với dung môi bằng một màng hán thấm Áp suất thẩm thâu mô tá hiện tượng xuất hiện giữa các chất lỏng

có nồng độ khác nhau, ngăn cách nhau bới một màng bán thấm Một cân bằng dơn gián liên hệ giữa áp suất thẩm thấu với nồng độ dưực Van Hôp (người Hà Lan) dưa ra là: n = ACRT

37

Trong đó: AC - chênh lệch nồng độ (rnol/m'); R - hằng số khí lý tướng (R = 8,314J/m ol."K ); T - nhiệt độ ("K); 71 - áp suất thẩm thấu (Pa).

Nghiên cứu áp suất thấm thâu của các dung dịch, Pfeifer nhận thây quy luật là áp suất thẩm thấu tý lệ thuận với nồng dộ và nhiệt dộ tuyệt đối cúa dung dịch Chảng hạn, nước biên ớ 15"C, nồng độ NaCl 35g/l có áp suât ihẩm thấu là 14,38.10' Pa Thòng sô này là yếu tố cơ bản đê đánh giá một hệ thẩm tháu ngược Trong nghiên cứu môi trường, việc hiếu được thành phần và đặc tính của môi trường nước, trong đó có cả tính thấm thâu của hệ giúp chúng ta

có những giải pháp tốt cho việc lựa chọn công nghệ xử lý Áp suất thẩm thấu đặc trưng cho xu thế của dung môi thâm nhập vào dung dịch, hoặc ngược lại, cúa chất tan vào dung môi Xu thế này giống như sự giãn nở khí do cntropi tăng lên gây ra Vì thế, trong quá trình này nãng lượng không thay đổi

2 3 6 Tính chất điên của nước

a) IlằitỊỊ sô diện m ôi

Hằng sô điện môi (c) đôi khi còn gọi là hằng sô điện mỏi tý dôi, đặc trưng cho ánh hướng của môi trường lên iưưng tác của chất Hằng sò diện môi của nước trong chân không bằng 1 đơn vị (c„ = 8,8542.10 l2F/m) Hằng

sô điện môi cùa nước dược biết là cao nhất với giá trị 80 F/m Đó là lý do tại sao lực ion hoá của nước là quá lớn

b) Tính dản điện

Nước dần diện kém Độ dần điện cúa nước linh khiết khoáng 4,2f.iS/m ớ 2(),’C Sự có mặt cùa các muôi lan trong nước làm tăng độ dẫn điện cúa nước

N )iig dộ muôi tan càng lớn độ dần càng cao Hình 2.9 trên mổ tá sự phụ thuộc cúa độ dẫn diện và diện trứ suất vào nồng độ muối tan

Mặt khác, độ dẩn cũng thay dổi theo nhiệt độ, nhiệt độ càng tăng thì độ đai càng lãng Đa sô các muối có độ tan trong nước lớn khi tăng nhiệt độ

11 nh 2.10 biếu diỗn sự phụ thuộc cúa độ dẫn và điện trở suất vào nhiệt độ

Hinh 2.10 Sự phụ thuộc của độ dẫn và điện trở suất vào nhiệt độ

Nhờ tính chát dẫn điện như trên nước có khá năng hoà tan nhiều muôi

vi khoáng chài, làm phân ly các phân tử trung hoà thành ion và kết tinh trớ

I ạ khi hạ nhiệt độ

123.7 Tính chất quang học của nước.

Độ irong suốt cùa nước phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền qia I1Ó Trong khi các tia cực tím truyền vào nước rất tốt thì các tia hồng

11'oại cỏ ích cho các quá trình vật lý và sinh học lại lọt vào nước một cách kló khăn Nước hấp thụ một phần rộng ánh sáng nhìn thấy màu đỏ và da can; phần phổ màu xanh của ánh sáng chỉ xuyên qua được một lớp mỏng

n ứ c Dựa vào tính trong suốt cứa nước, người ta có thê do các dạng ô nhicm vìhiệu quá cùa việc xử lv nước

39