Bài giảng Hóa môi trường - Ngô Xuân Huy

GIỚI THIỆU MÔI HỌC HÓA MÔI TRƯỜNG GIẢNG VIÊN: NGÔ XUÂN HUY NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH Chương 1: Mở đầu 1.1. Một số khái niệm 1.2. Cấu trúc và các thành phần môi truờng của Trái đất 1.3. Quá trình phát triển của sự sống trên Trái đất Chương 2: Khí quyển và hóa học của khí quyển 2.1. Cấu trúc khí quyển và thành phần không khí 2.2. Các phản ứng xảy ra trong khí quyển 2.3. Quá trình biến đổi một số chất trong không khí 2.4. Ô nhiễm không khí và hậu quả của ô nhiễm không khí Chương 3: Thủy quyển và hóa học của thủy quyển 3.1. Cấu tạo và tính chất của nước 3.2. Đặc điểm của nuớc tự nhiên 3.3. Vai trò của vi sinh vật trong các chuyển hóa các chất trong môi trường nước 3.4. Ô nhiễm nước NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH Chương 4: Địa quyển và hóa học của địa quyển 4.1. Cấu tạo của địa quyển 4.2. Thành phần của đất 4.3. Phản ứng axit-bazo và phản ứng trao đổi ion trong đất 4.4. Chất dinh dưỡng vi lượng và đa lượng trong đất 4.5. Ô nhiễm môi trường đất Chương 5: Một số vòng tuần hoàn trong tự nhiên 5.1. Vòng tuần hoàn cacbon. 5.2. Vòng tuần hoàn nitơ. 5.3. Vòng tuần hoàn oxy. 5.4. Vòng tuần hoàn photpho. 5.5. Vòng tuần hoàn lưu huỳnh. 5.6. Vòng tuần hoàn kim loại nặng CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.1. Hóa học môi trường Hóa học môi trường được nghiên cứu từ những năm 1960 khi có những vấn đề ô nhiễm môi trường xảy ra trên thế giới Hóa học môi trường là một môn khoa học tổng hợp, nghiên cứu về các quá trình biến đổi của các chất trong môi trường, nghĩa là nó tập trung nghiên cứu về nguồn gốc, bản chất các phản ứng, các tác động, quá trình vận chuyển cũng như tương tác của các chất trong môi trường: đất, nước, không khí. Hóa học môi trường cung cấp cho các sinh viên những kiến thức cơ bản trong quá trình nghiên cứu, giúp hiểu rõ bản chất các hiện tượng hóa học xảy ra trong môi trường nói chung từ đó có thể đưa ra các biện pháp tích cực ngăn ngừa ô nhiễm, bảo vệ môi trường. Hóa học môi trường mô tả các quá trình hóa học cơ bản có sự liên hệ chặt chẽ với các lĩnh vực khác như hóa sinh, địa hóa, hóa phân tích, hóa vô cơ, hữu cơ, độc chất học... 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM Nhiệm vụ Nhiệm vụ của hóa học môi trường là nghiên cứu, mô tả và mô hình hóa những phản ứng hóa học trong môi trường cũng như nghiên cứu động học, nhiệt động học và các cơ chế phản ứng. Hóa nước (aquatic chemistry): nghiên cứu các hiện tượng hóa học trong môi trường nước (nước sông, suối, ao, hồ, biển, nước ngầm, nước trong không khí, đất, đá…). Hóa không khí (atmospheric chemistry): nghiên cứu các hiện tượng hóa học trong môi trường không khí (thành phần cấu trúc khí quyển, phản ứng quang hóa, quá trình biến đổi chất trong khí quyển). Địa quyển và hóa đất (geosphere and geochemistry): nghiên cứu tính chất của đất cũng như quá trình chuyển hóa các chất trong đất. 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.2. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Bất kỳ một tác động nào làm thay đổi các thành phần môi trường, làm mất cân bằng sinh thái, gây ảnh hưởng xấu tới môi trường có ảnh hưởng tới người, vật, động vật, vật liệu, … Theo định nghĩa của Tổ Chức Y Tế Thế Giới (WHO): sự ô nhiễm hay sự nhiễm bẩn là việc chuyển các chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức có khả năng gây tác hại đến sức khỏe con người, đến sự phát triển sinh vật hoặc làm suy giảm chất lượng môi trường. 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.3. CHẤT Ô NHIỄM Là những chất tồn tại sẵn trong tự nhiên hoặc nhân tạo làm thay đổi thành phần môi trường tự nhiên ở nồng độ cao, có tác hại tới sức khỏe con người cũng như sinh vật nói chung. Gồm các chất ô nhiễm do tự nhiên và nhân tạo. 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.4. QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT Ô NHIỄM 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.5. HÌNH THÁI HÓA HỌC Là các dạng khác nhau của các chất hóa học có trong môi trường. Ví dụ: crom có các dạng hợp chất khác nhau như crom (3) hoặc crom (6) từ đó có độc tính khác nhau. 1.2. CẤU TRÚC VÀ CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRUỜNG CỦA TRÁI ĐẤT 1.2.1. Khí quyển Là lớp khí bao phủ xung quanh bề mặt Trái đất, có khối lượng 5,2x1018 kg, tới 99% khí quyển nằm dưới 30 km so với bề mặt Trái đất. Khí quyển có vai trò: Cung cấp O2 và CO2 cần thiết duy trì sự sống trên Trái đất, ngăn chặn các tia tử ngoại gần ( = 300 nm), cho các tia trong vùng khả kiến – tia trông thấy ( = 400 - 800 nm), tia hồng ngoại gần ( = 2500 nm), và sóng radio ( = 0,1 - 40 m) đi vào Trái đất. Giữ cân bằng nhiệt lượng của Trái đất (thông qua quá trình hấp thụ tia tử ngoại phát xạ từ mặt trời và phản xạ tia nhiệt từ Trái đất). Là môi trường để vận chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào quá trình tuần hoàn nước. 1.2. CẤU TRÚC VÀ CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRUỜNG CỦA TRÁI ĐẤT 1.2.1. Khí quyển Không khí được cấu tạo từ nhiều khí khác nhau, trong đó thành phần chính là khí N2 chiếm khoảng 78% thể tích, khí O2 chiếm khoảng 21% thể tích, tiếp theo là Argon, khí cacbonic, ngoài ra còn một số khí khác ở dạng vết. Trong không khí cũng luôn tồn tại một lượng hơi nước không cố định. Nồng độ các khí trong khí quyển thay đổi liên tục theo thời gian, không gian, vị trí địa lý (điều kiện phát thải, phát tán, quá trình sa lắng, biến đổi hóa học...). 1.2. CẤU TRÚC VÀ CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRUỜNG CỦA TRÁI ĐẤT 1.2.2. Thủy quyển Thủy quyển bao gồm các dạng nguồn nước trên Trái đất như: biển, hồ, sông, suối, nước đóng băng ở hai cực Trái đất, nước ngầm. Khối lượng của thủy quyển ước tính vào khoảng 1,38x1021 kg. Trong đó nước mặn chiếm tới 97%, 2% là nước băng đá, 1% nước ngọt phục vụ sinh hoạt cho con người. 1.2. CẤU TRÚC VÀ CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRUỜNG CỦA TRÁI ĐẤT 1.2.2. Thủy quyển Nước đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình, diễn ra trong tự nhiên và trong cuộc sống của con người. Trong công nghiệp, người ta sử dụng nước làm nguyên liệu và nguồn năng lượng, làm dung môi, làm chất tải nhiệt và dùng để vận chuyển nguyên vật liệu... Nước tự nhiên là nước mà chất lượng và số lượng của nó được hình thành dưới ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên không có sự tác động của con người. 1.2. CẤU TRÚC VÀ CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRUỜNG CỦA TRÁI ĐẤT 1.2.3. Địa quyển Địa quyển là lớp vỏ rắn ngoài của Trái đất có bề sâu từ 0 – 100 km. Thành phần địa quyển gồm đất và các khoáng chất xuất hiện trong lớp phong hóa của Trái đất hay nói cách khác địa quyển là tổ hợp phức tạp của các chất khoáng, chất hữu cơ, không khí và nước trong đó đất là thành phần quan trọng nhất. Việc con người khai thác các tài nguyên trong lòng đất (than, dầu, mỏ kim loại, đất, đá…) và thải bỏ nhiều chất thải (rắn, lỏng) đã làm ô nhiễm đất. 1.2. CẤU TRÚC VÀ CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRUỜNG CỦA TRÁI ĐẤT 1.2.4. Sinh quyển Sinh quyển gồm tất cả những thành phần của ba môi trường kể trên có tồn tại sự sống và có liên quan tác động tương hỗ giữa các thành phần môi trường khí quyển, thủy quyển, địa quyển. Khác với khí quyển, thủy quyển, địa quyển, sinh quyển không có giới hạn rõ rệt vì nó nằm trong cả ba thành phần môi trường kể trên và không hoàn toàn liên tục vì sự sống chỉ tồn tại trong điều kiện nhất định. 1.3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Cũng như lịch sử phát triển của Trái đất, quá trình phát triển của sự sống trên Trái đất được giải thích dựa vào các giả thiết. Những giả thiết này được xây dựng dựa trên việc nghiên cứu các hóa thạch tìm được. Các hóa thạch cổ nhất đã tìm thấy được có tuổi trên 3 tỷ năm. Các hóa thạch này có dạng tương tự vi khuẩn và tảo ngày nay, tức là các sinh vật đơn bào. Các tế bào này chưa có nhân phát triển hoàn chỉnh và được đặt tên là prokaryotes (sinh vật nhân sơ). Quá trình tạo thành các prokaryotes cho đến nay vẫn còn là điều bí ẩn. 1.3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Quá trình phát triển của sự sống được xem là một quá trình tiến triển dần dần từ các phân tử vô cơ đơn giản đến các sinh vật đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp hiện nay. Tất cả các dạng sống đều được tạo thành từ các hợp chất hữu cơ. Các hợp chất này có thể đã được tạo thành trong tự nhiên từ các phân tử đơn giản như H2O, NH3, CO2, CO, CH4, H2S, H2. Các phân tử đơn giản này có thể đã tồn tại trong khí quyển, đại dương của Trái đất lúc sơ khai. 1.3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Người ta suy đoán rằng, từ nhiều loại phân tử hữu cơ được tạo thành, các hệ vô sinh (non-living systems) được hình thành, tiến hóa thành các sinh vật tự sinh tồn và sinh sản, sau cùng phát triển thành các dạng sống phong phú ngày nay. Các sinh vật đầu tiên phụ thuộc vào các nguồn cung cấp các phân tử hữu cơ được tổng hợp từ bên ngoài, và do đó chúng được gọi là sinh vật dị dưỡng. Các sinh vật tự dưỡng có khả năng tổng hợp nên các phân tử hữu cơ cần thiết từ các phân tử vô cơ đơn giản. Vì các phân tử vô cơ đơn giản có sẵn rất nhiều trong khí quyển và đại dương so với các phân tử hữu cơ, nên các sinh vật tự dưỡng phát triển mạnh hơn các sinh vật dị dưỡng. 1.3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Cả hai loại sinh vật prokaryotes có thể đã thu năng lượng từ các phản ứng lên men như sau: (ánh sáng) C6H12O6 → 2C3H4O3 + 4H glucoz axit pyruvic (kết hợp với các nhóm khác) Phản ứng lên men không phải là nguồn cung cấp năng lượng tốt. Khả năng dùng phần phổ khả kiến của bức xạ Mặt trời làm nguồn năng lượng chuyển hóa CO2 thành các phân tử hữu cơ, đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của loại vi khuẩn quang hợp. 1.3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Các phân tử như H2S, hay các phân tử hữu cơ đơn giản, có thể đóng vai trò là tác nhân cho hydro: nCO2 + 2nH2A → (CH2O)n + nH2O + 2nA Tác nhân cho hydro Cacbohydrat Từ đó, tảo lam sử dụng nước của đại dương, như một tác nhân cho hydro, để phát triển và tạo ra sản phẩm phụ là oxy: (ánh sáng) nCO2 + nH2O → (CH2O)n + nO2 Tác nhân cho hydro Cacbohydrat 1.3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Oxy tạo thành từ quá trình quang hợp đã làm thay đổi bề mặt Trái đất, đồng thời tiêu diệt các sinh vật không thích ứng với loại khí hoạt động hóa học mạnh này. Khi oxy tích tụ nhiều trong khí quyển, tầng ozon dần hình thành ở tầng bình lưu (cách mặt đất 15 − 40 km), hấp thụ tia tử ngoại có hại. Lúc này, các sinh vật đã có thể phát triển thành quần thể trong vùng tiếp giáp của khí quyển / nước / đất và nhu cầu phải sinh sống dưới nước để tránh tác hại của tia tử ngoại không còn là điều bắt buộc nữa. Các sinh vật bắt đầu chuyển lên sống trên cạn. Sự có mặt của oxy tạo điều kiện cho những biến đổi thích hợp của tế bào, nhằm có thể sử dụng phản ứng hô hấp cung cấp năng lượng cho sự phát triển. 1.3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Nguồn năng lượng thu từ phản ứng hô hấp lớn hơn năng lượng thu từ phản ứng lên men đến 18 lần. (CH2O)n + nO2 → nCO2 + nH2O Cacbohydrat 1.3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Các tổ chức bên trong tế bào lúc này chịu những thay đổi mạnh mẽ và phát triển. Xuất hiện nhân tế bào có màng bọc, chứa các acid nucleic mang thông tin gen của tế bào, ngoài ra còn có một loạt các biến đổi khác biệt về đặc điểm cấu trúc. Các tế bào mới này được gọi là các eukaryotes (sinh vật nhân thực), chứa nhân xác định. Các eukaryotes đơn bào tự dưỡng tiến hóa thành thực vật đa bào, có khả năng quang hợp để sản xuất các chất hữu cơ và oxy. Sự phát triển về số lượng các sinh vật có khả năng quang hợp và hô hấp tốt tạo thành tập hợp dị dưỡng. Các eukaryotes dị dưỡng tiến hóa thành cá, côn trùng và động vật ngày nay. 1.3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA SỰ SỐNG TRÊN TRÁI ĐẤT Quá trình phát triển sự sống, như vừa nêu sơ lược ở trên làm cho hàm lượng oxy trong khí quyển tăng cao và trở thành loại khí chủ yếu của khí quyển, đồng thời làm giảm đáng kể hàm lượng các khí có lúc đầu trong khí quyển sơ khai (N2, CO2, H2, CO, CH4...).