TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ
KHOA HÓA



Giáo trình
HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG
(ENVIRONMENTAL CHEMISTRY)
ThS. HOÀNG THÁI LONG
Huế
−
2007

MỤC LỤC
MỤC LỤC1
DANH MỤC HÌNH4
DANH MỤC BẢNG6
1 . MỞ ĐẦU7
 
 
 

 !"# 
$%&'!"#()*++,)-#. 
 !,/011)2'3&! 4
 !,/'3&!4
31)2'3&!
5,6)7'893&!
 ,6&:
2 . KHÍ QUYỂN VÀ SỰ Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN16
 !,/';<,#7 =


$?F7,U*NH+H 
$C @
3 . THỦY QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 51
31,#9V01,6V $
31)2'V89$
 ;W$
 !Q$
 !Q+F+L01!QW $
 !0FW $
 !X,F$=
31)2'V89 $
?8K*)B*V8901VA$
YW'00Z*,#7'V$@
[AB,#7>*$@
[AB,#7F=\
[AB,#7+,,]=
[AB,#7)*)*=
$[AB,#7Q=
$V=
$ ,S"#V=
$ ""#V =
$ *0FW=
$ !X,F=4
$^2,_$
$ !1, $
$$ !"#`0:$
$= 00Z"#>()*H. $
$ #9,2,0a!+MVG39,,b!+MV
=cL+dVA 4\

cW&!@
?K @
%!011,#9V @4
4&!@4
4lm'*K&) @4
4?LEg)">@4
4?LEg!>A*080Z @4
4 e&V9,@@
4lm'*K&*K01) \\
5 . HÓA CHẤT ĐỘC TRONG MÔI TRƯỜNG 101
$!&* \
$% \
$3;>a0X'&!*\
$["'#) \
$["'# \
$5,6,#AS&E*)"'# \
$3;+n#\$
opqprpstuvwxsyz{s|}s~wusu•€wxs•zws‚ƒs|„…us†‡ys‚ˆwusu‰…\=
$$%;\
$$%&!); \
$$ Fe"#&!);\4
$$%&Š;\@
$=3Eg&K'!\
$=!>A*080Z\
$=3Eg&K',‹",F+*\
$=3Eg&K',‹",F)*)*01>
$=3Eg&K'H#+T*#(Œ .
$=i+*K
$= Fe"#&)R>e01>)ZF7>:RK 
$=3Eg&K'H $

Hình 2.6. ,S"#;<,#78901"K* =
Hình 2.7. IS&(,>6.11#'!
mU*NH+H•‘?N \
Hình 2.8. ,#7'#e,'I•
C
*2&+,
Hình 2.9. )AB*C#9'#e,ŽI•
C
*2&+,01*
>1#(CA#*A;K+J;>:. 
Hình 2.10 (.)#H’(>.“>HT*)#H
Hình 2.11 3e>:+Q<,;(#+*.@
Hình 2.12 3e>:+>g>k/0A @
Hình 2.13 3e>:+>gYH,\
Hình 2.14 ?F&S,#9Q+>g”&\
Hình 2.15 ,B1;
Hình 2.16 ?F&SA+C*#6101*`%mI8 
Hình 2.17 U•'+V!'2*T*mI8Z&M(G\–@–\\=.$
Hình 2.18 ?FO@$KU*E*=
Hình 2.19 %a,018K*1F<, 
Hình 2.20 (N. )ABK*1F’(P. )ABK*1[NI4
Hình 2.21 ?FKU*NH+H4
Hình 2.22 C'#*K‹"#mEŠ#/P+,H—EH•I* *+$\
Hình 2.23 COWM&0$\
Hình 3.1. ,6V $
Hình 3.2. ?F&SC&:01<,X!Q+F+L01!QW$
Hình 3.3. B!,K*E8&*'CD,+0$4
Hình 3.4. ?F&SeM)!,‹C80Z&Š)"'# $4
Hình 3.5. 7,K*)B'M)!,0V*+*K$@
Hình 3.6. ,6IF =\

Bảng 1.2. \,#9*0ng•3&!•0š3&!•&KEF•;<,#7
(;.01<,#7(œ+M. 
Bảng 2.1. 31)2;';2&+,\
Bảng 2.2. !;1+M!)*;m2&+,\
Bảng 2.3. 3+,'!"#;<,#7 =
Bảng 2.4. Am'?•

&0V*
Bảng 2.5. ?*AO!)g>BCK';1; 
Bảng 2.6. ?*8&)01*,B1;';1;
Bảng 3.1. ?8)">1,#9V*12, $
Bảng 3.2. 31)2,>6'VS01V>7*12, $
Bảng 3.3. 3A+M"E**&01*11# =
Bảng 3.4. IS&&*)›)'+*KŽ*+*KV
H*39,,bYI0a=
Bảng 3.5. •:VK*)›)'01S&!
*VŽ(3 YI$@G@@$. 4
Bảng 3.6. •:VK*)›)0101S&!
*VA)(3 YI$@$G@@$.@
Bảng 4.1. 1+M,#9*&01&!(ž-–  44
Bảng 4.2. +*KM)!X,F;*&! 4@
Bảng 5.1. ,#9&K*V9901VA\
Bảng 5.2. 3>'#'!&>a0X* \
Bảng 5.3. 3;+n#*'!"# \$
Bảng 5.4. •:)";01:;*';+n#*
'!AO,#7, \
Bảng 5.5. ["+*K&&H**EHŸ?HH\
Bảng 5.6. ["+*K&&(+a,&<,&O,7"#e.
H*•*H+•?Ÿ*EH \4
Bảng 5.7. ["+*K&&!);'!&&0V01&0Z\4

hóa học, vật lý, sinh học, địa chất học, nông học, y học, Các kiến thức về hóa học môi
trường không những chỉ cần thiết cho các nhà hóa học, mà còn rất cần thiết cho cả những nhà
nghiên cứu môi trường, kỹ thuật và quản lý.
1.1.3. Ô nhiễm môi trường
Ô nhiễm môi trường là các thay đổi không mong muốn về tính chất vật lý, hóa học,
sinh học của không khí, nước hay đất có thể gây ảnh hưởng có hại cho sức khỏe, sự sống,
hoạt động của con người hay các sinh vật khác [12].
Một định nghĩa khác về ô nhiễm môi trường, được sử dụng khá phổ biến hiện nay cho
rằng, ô nhiễm môi trường là quá trình con người chuyển vào môi trường các chất hay dạng
năng lượng có khả năng gây hại cho sức khỏe của con người, sinh vật, hệ sinh thái, hủy hoại
cấu trúc, sự hài hòa, hoặc làm ảnh hưởng đến các tác dụng lợi ích vốn có của môi trường [13].
Theo Luật Bảo vệ môi trường Việt Nam, ô nhiễm môi trường là sự làm thay đổi tính
chất của môi trường, vi phạm tiêu chuẩn môi trường.
1.1.4. Chất gây ô nhiễm
Chất (gây) ô nhiễm là những chất không có trong tự nhiên, hoặc vốn có trong tự nhiên
nhưng nay có hàm lượng lớn hơn và gây tác động có hại cho môi trường thiên nhiên, cho con
người cũng như các sinh vật khác.
Chất gây ô nhiễm có thể có nguồn gốc tự nhiên (núi lửa, cháy rừng, bão lụt, ) hoặc
do các hoạt động của con người tạo ra (hoạt động sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải,
chiến tranh, sinh hoạt đô thị, ).
1.1.5. Đường đi của chất gây ô nhiễm (pollutant pathways)
Đường đi của chất gây ô nhiễm là cơ chế phát tán chất gây ô nhiễm từ nguồn phát
sinh đến các bộ phận của môi trường. Ví dụ: đường đi của chì trong xăng dầu động cơ vào
8
cơ thể người và gây độc hại:
Pb(C
2
H
5
)

Nhân
0
−
40
1000
2900
5100
6370
Vỏ
Vỏ lục địa
Đại dương
Vỏ đại dương
Lớp phủ trên
Vùng chuyển tiếp
Lớp phủ dưới
0
4
10
60
400
1000
Bề dày (Km)
Ngoài
Lớp phủ
Trong
Nhân
0
−
40
1000

Đại dương
O, H (Cl, Na, Mg, S)
Đá trầm tích
O, Si, Al, Fe, Ca, K, Mg, C, Na
Đá granit từ nham thạch
O, Si, Al, K, Na, Ca, Fe, Mg
Đá bazan từ nham thạch
O, Si, Al, Fe, Ca, Mg
Lớp phủ
O, Si, Mg, Fe
Hình 1.2. Mặt cắt ngang của bề mặt Trái đất [16]
Phần đọc thêm: Sự chuyển dịch của các mảng lục địa
Giả thuyết về hoạt động kiến tạo cho rằng lớp vỏ cứng của Trái đất được tạo nên
bởi 15 mảng lục địa có kích thước khác nhau lắp ghép lại, trong đó có 9 mảng chính.
Có mảng chỉ chứa toàn đại dương hoặc chỉ chứa phần lục địa, nhưng đa số các mảng
lục địa vừa chứa phần đại duơng, vừa chứa phần lục địa.
Dưới tác động của các dòng chuyển dịch bên trong lòng Trái đất, các mảng lục
địa luôn trôi dạt trên lớp quyển mềm (asthenosphere). Có 3 kiểu chuyển dịch tương
40 60
80
100
200
Núi (8,8 km)
Đất thấp (trung bình 0,84 km)
Thềm lục địa
Đại dương (sâu trung bình 4 km)
Vực (11 km)
Đá trầm tích
Khí quyển
Đá granit từ

Tầng đối lưu (15 km)
10
đối giữa các mảng lục địa liền nhau.
Kiểu chuyển dịch phân kỳ làm cho các mảng lục địa tách xa nhau tạo nên các khe
hở để dung nham từ lòng đất trào ra ngoài, khô đặc lại tạo thành các ngọn núi lửa
trên đất liền hay các dãy núi ngầm dưới đáy đại dương. Chuyển dịch phân kỳ thường
xảy ra ở phần đại dương hơn trên lục địa.
Hình 1.3. Các mảng lục địa chính [7]
Hình 1.4. Sự dịch chuyển của các mảng lục địa [16]
Kiểu chuyển dịch hội tụ làm các mảng lục địa xô đập hay trườn, trượt, đè chồng
lên nhau. Khi một mảng lục địa là lục địa còn mảng kia là đại dương thì mảng đại
Tái nóng chảy
Vùng lún
xuống
Hoạt động núi lửa
Phần vỏ ở
đại dương
Phần vỏ ở
đại dương
Phần vỏ ở lục địa
LỚP PHỦ
Dãy núi ngầm
ở đại dương
Mảng lục địa 1 Mảng lục địa 2 Mảng lục địa 3
Đường biên có
sự dịch chuyển hội tụ
Đường biên có
sự dịch chuyển phân kỳ
Tạo núi
Tái nóng chảy

khí quyển, thủy quyển, địa quyển và sinh quyển. Ngoài 4 thành phần chính này, các nhà khoa
học còn đưa ra khái niệm mới về trí quyển – một thành phần của môi trường Trái đất.
− Khí quyển: là lớp khí bao phủ xung quanh bề mặt Trái đất, nuôi dưỡng sự sống trên
mặt đất và bảo vệ chúng trước các tác động có hại từ khoảng không vũ trụ.
Khí quyển hấp thụ hầu hết các tia vũ trụ và một phần đáng kể bức xạ điện từ của Mặt
trời chiếu xuống Trái đất.
Khí quyển chỉ cho các bức xạ có bước sóng trong khoảng 320 đến 2500 nm đi qua và
ngăn chặn phần bức xạ tử ngoại có bước sóng nhỏ hơn 320 nm, là phần bức xạ gây hủy hoại
da.
Khí quyển đóng một vai trò quan trọng trong quá trình cân bằng nhiệt của Trái đất,
thông qua khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại của ánh sáng Mặt trời và phần tái bức xạ từ
Trái đất.
Thành phần chính của khí quyển là nitơ và oxy, ngoài ra còn có argon, cacbonic và
nhiều chất khí khác có nồng độ nhỏ hơn rất nhiều.
Bảng 1.2. 10 nguyên tố hóa học trong vũ trụ, Trái đất, vỏ Trái đất, đại dương, khí quyển
(không khí khô) và sinh quyển (% khối lượng) [16]
Vũ trụ Trái đất Vỏ Trái đất Đại dương Khí quyển Sinh quyển
H : 77 Fe : 35 O : 46,6 O : 85,8 N : 75,5 O : 53
He : 21 O : 29 Si : 29,5 H : 11 O : 23,2 C : 39
O : 0,8 Si : 14 Al : 8,2 Cl : 1,94 Ar : 1,3 H : 6,6
C : 0,3 Mg : 14 Fe : 5,0 Na : 1,05
C : 9,3 × 10
−
3
N : 0,5
Ne : 0,2 S : 2,9 Ca : 3,6 Mg : 0,13
Ne : 1,3 × 10
−
3
Ca : 0,4

lượng nước của thủy quyển.
Nước được con người sử dụng vào các mục đích chính sau: nông nghiệp (30%), nhà
máy nhiệt điện (50%), công nghiệp (12%), sinh hoạt (7%).
Nước (bề) mặt ngày càng bị ô nhiễm do thuốc trừ sâu, phân bón trong nước chảy tràn từ
đồng ruộng, do các chất thải khác của con người, động vật và sản xuất công nghiệp. Các bệnh
lây qua đường nước từ nước thải đô thị đã làm chết hàng triệu người ở các nước đang phát triển.
− Địa quyển (thạch quyển): là phần vỏ Trái đất từ mặt đất đến độ sâu khoảng 100 km,
bao gồm các khoáng chất trong lớp phong hóa và đất (đất là hỗn hợp phức tạp bao gồm các
chất khoáng, chất hữu cơ, không khí và nước).
− Sinh quyển: là một phần của Trái đất và khí quyển có tồn tại sự sống. Giữa sinh
quyển và môi trường có sự tác động qua lại lẫn nhau. Sinh quyển cũng có mối quan hệ chặt
chẽ với dòng năng lượng trong môi trường và hóa học môi trường nước.
− Trí quyển (noosphere): là khái niệm để chỉ các dạng thông tin biểu hiện rất phức tạp
trong sinh quyển mà trong đó phát triển cao nhất là trí tuệ con người. Trí quyển đang thay đổi
nhanh chóng và phạm vi tác động của nó ngày càng mở rộng kể cả ở ngoài phạm vi Trái đất.
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.
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, H
2
O, NH
3

O
3
+ 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 CO
2
thành các phân tử
hữu cơ, đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của loại vi khuẩn quang hợp. Các phân tử
như H
2
S, hay các phân tử hữu cơ đơn giản, có thể đóng vai trò là tác nhân cho hydro:
13
nCO
2
+ 2nH
2
A
anï h saïng
    →
(CH
2
O)
n
+ nH
2
O + 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:

→ nCO
2
+ nH
2
O
Cacbohydrat
Các tổ chức bên trong tế bào lúc này chịu những thay đổi mạnh mẽ và phát triển. Xuất
hiện nhân tế bào có màn bọc, chứa các axit 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.
Hình 1.5. Hai dạng tế bào Prokaryote và Eukaryote[17]
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
14
hàm lượng các khí có lúc đầu trong khí quyển sơ khai (N
2
, CO
2
, H
2
, CO, CH
4
).
1.4. Chu trình địa hóa
Các số liệu trong Bảng 1.2 chỉ cho thấy sự phân bố các nguyên tố trong các thành
phần của môi trường mà không cho thấy sự di chuyển (vận động) của các nguyên tố đó từ bộ

1
3
2
4
8
7
nơi chứa
đường di chuyển
15
Hình 1.6. Mô hình tổng quát của chu trình địa hóa [16]
Nếu lượng nguyên tố (hay chất) được chuyển vào và chuyển ra khỏi nơi chứa bằng
nhau thì nồng độ của nó trong nơi chứa đó sẽ không đổi, lúc đó trạng thái dừng (steady state)
được thiết lập. Về cơ bản, nếu không bị ảnh hưởng bởi hoạt động của con người hầu hết các
chu trình tự nhiên đều ở trạng thái dừng . Kết luận này được rút ra từ thực tế là không có sự
thay đổi lớn nào của môi trường hóa học toàn cầu đã xảy ra trong vài trăm triệu năm trước
đây.
Nếu hệ đang ở trạng thái dừng, ta có thể xác định thời gian lưu (residence times) của
một chất xác định trong nơi chứa xác định dựa vào công thức:
=
læåüng nguyãn täú chátú trong nåi chæïa
t
täcú âäüâi vaoì hay ra nåi chæïa cuía nguyãn täú chátú
( )
( ) ( )
Ví dụ, nếu lượng natri tan trong đại dương là 15×10
18
kg, lượng thêm vào hằng năm là
100×10
9
kg, thì thời gian lưu của natri trong đại dương sẽ là 150 triệu năm (thực ra, natri có

−92° đến 1200°C. Khối lượng tổng cộng của khí quyển ước khoảng 5×10
15
tấn, tức vào
khoảng một phần triệu khối lượng Trái đất.
Căn cứ vào sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao, người ta chia khí quyển thành 4 tầng:
tầng đối lưu (troposhere), tầng bình lưu (stratosphere), tầng trung lưu (mesosphere), tầng
nhiệt lưu (thermosphere). Các thành phần của khí quyển và sự thay đổi nhiệt độ khí quyển
theo độ cao được trình bày trong Hình 2.1 và Hình 2.2.
Hình 2.1. Các thành phần của khí quyển [14]
16
Trái đất
10 - 16 km
Tầng Đối lưu
Tầng Bình lưu
Tầng Trung lưu
Tầng Nhiệt lưu
50 km
85 km
500 km
N
2
, O
2
, CO
2
, H
2
O
O
3

2
, O
2
, CO
2
và hơi nước. Khí trong khí quyển tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu, với khối lượng khoảng
4,12.10
15
tấn so với tổng khối lượng khí trong khí quyển là 5,15×10
15
tấn. Mật độ không khí
và nhiệt độ trong tầng đối lưu không đồng nhất. Mật độ không khí giảm rất nhanh theo độ cao
(hàm số mũ). Nếu không bị ô nhiễm, thì nhìn chung thành phần của khí quyển ở tầng đối lưu
khá đồng nhất, do có dòng đối lưu liên tục của các khối không khí trong tầng. Tầng đối lưu là
một vùng xoáy, do có sự mất cân bằng trong tốc độ sưởi ấm và làm lạnh giữa vùng xích đạo
và ở hai đầu cực.
Phần trên cùng của tầng đối lưu có nhiệt độ thấp nhất (vào khoảng −56°C) được gọi là
đỉnh tầng đối lưu hoặc lớp dừng (tropopause), đánh dấu sự kết thúc xu hướng giảm nhiệt theo
độ cao trong tầng đối lưu, và bắt đầu có sự tăng nhiệt độ. Ở đỉnh tầng đối lưu do nhiệt độ rất
thấp, hơi nước bị ngưng tụ và đông đặc nên không thể thoát khỏi tầng khí quyển thấp. Nếu
không có đỉnh tầng đối lưu, đóng vai trò như tấm chắn rất hữu hiệu, hơi nước có thể bay lên
các tầng khí quyển bên trên và sẽ bị phân tích dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại có năng
lượng lớn. Hydro tạo thành do phản ứng phân tích sẽ thoát khỏi khí quyển (hầu hết hydro và
heli vốn có trong khí quyển đã thoát khỏi khí quyển theo con đường này).
17
40
20
60
80
100

3
+ hν (λ: 220 − 330 nm) → O
2
+ O + Q (làm tăng nhiệt độ)
Trong tầng bình lưu, không khí ít bị khuấy động, do đó thời gian lưu của các phần tử
hóa học ở vùng này khá lớn. Nếu các chất gây ô nhiễm bằng cách nào đó xâm nhập vào tầng
này, thì chúng sẽ tồn tại và gây ảnh hưởng tác động trong một thời gian dài hơn nhiều so với
ảnh hưởng của chúng ở tầng đối lưu.
2.1.3. Tầng trung lưu
Tầng trung lưu (tầng trung gian, mesosphere) ở độ cao từ 50 km đến 85 km, nhiệt độ
giảm theo độ cao, từ −2°C đến −92°C, do không có nhiều các phần tử hóa học hấp thụ tia tử
ngoại, đặc biệt là ozon. Thành phần hóa học chủ yếu trong tầng này là các gốc tự do O
2
+
, NO
+
được tạo thành do oxy và nitơ oxit hấp thụ bức xạ tử ngoại xa.
2.1.4. Tầng nhiệt lưu
Tầng nhiệt lưu (tầng nhiệt, tầng ion, thermosphere), ở độ cao từ 85 đến trên 500 km.
Nhiệt độ trong tầng này tăng từ −92°C đến 1200°C. Trong tầng này, do tác dụng của bức xạ
Mặt trời, nhiều phản ứng hóa học xảy ra với oxy, ozon, nitơ, nitơ oxit, hơi nước, CO
2
, chúng
bị phân tách thành nguyên tử và sau đó ion hóa thành các ion O
2
+
, O
+
, O, NO
+

vùng này không khí có chứa nhiều ion. Sự có mặt của các ion trong vùng này đã được biết
đến từ năm 1901, khi người ta phát hiện ra hiện tượng phản xạ của sóng radio của lớp khí
quyển tầng cao.
Giới hạn trên của khí quyển và đoạn chuyển tiếp vào vũ trụ rất khó xác định, cho tới
nay, người ta mới ước đoán khoảng 500 − 1000 km.
2.2. Sự hình thành và thành phần của khí quyển
2.2.1. Sự hình thành khí quyển
Có nhiều giả thuyết khác nhau về sự hình thành của khí quyển. Giả thuyết được nhiều
nhà khoa học chấp nhận nhất cho rằng, khí quyển lúc sơ khai có thành phần rất khác với thành
phần của khí quyển hiện tại và hoạt động của vi sinh vật là nguyên nhân chính gây ra sự biến
đổi này. Sự hình thành khí quyển gắn liền với sự hình thành và phát triển của sự sống trên
18
Trái Đất.
Hơn một tỷ năm trước đây, núi lửa đã phun vào khí quyển CO
2
, NH
3
và hơi nước. Các
chất này được tạo thành từ CH
4
và các khí khác có trong lòng đất. Sau đó, dưới tác dụng của
tia tử ngoại, sấm chớp, tia phóng xạ, các chất ban đầu trong khí quyển phản ứng với nhau tạo
thành các amino axit và đường. Các dạng sống đầu tiên bắt đầu xuất hiện và phát triển trong
đại dương. Các dạng sống sử dụng năng lượng từ quá trình lên men chất hữu cơ, quá trình
quang hợp và cuối cùng là quá trình hô hấp.
Người ta cho rằng, có thể trong khí quyển ở thời kỳ đầu cũng đã có sẵn một ít oxy để
duy trì sự sống của các dạng sống sơ khai. Lượng oxy này có thể đã được tạo thành từ phản
ứng phân tích hơi nước dưới tác dụng của sấm chớp hoặc bức xạ Mặt trời ở phần trên của khí
quyển. Nhưng chính các loài thực vật mới là nguồn sản xuất oxy chủ yếu cho khí quyển,
thông qua phản ứng quang hợp.

2
đã đuợc Fe(II) hấp thụ để tạo thành Fe
2
O
3
:
4Fe
2+
+ O
2
+4H
2
O → 2Fe
2
O
3
+ 8H
+
Quá trình này tạo thành một lượng lớn Fe
2
O
3
sa lắng và là bằng chứng cho sự tạo
thành của O
2
tự do trong khí quyển thời kỳ đầu.
Về sau, khi có các hệ enzim phát triển nhiều vi sinh vật có thể sử dụng O
2
để oxy hóa
các chất hữu cơ có thể bị oxy hóa có trong đại dương.

Oxy (O
2
, khí) 20,95 23,15
Argon (Ar, khí) 0,93 1,23
Cacbon dioxit (CO
2
, khí) 0,03 0,05
Bảng 2.2. Các chất khí có hàm lượng thấp trong không khí khô ở tầng đối lưu [14]
Khí % (v/v)
1
Nguồn phát sinh chính Sink
9
CH
4
1,6 × 10
−
4
Sinh học
2
Quang hóa
3
CO
≈ 1,2 × 10
−
5
Quang hóa, nhân tạo
4
Quang hóa
N
2

−10
−
7
Sinh học Quang hóa, ngưng tụ ướt
H
2
5 × 10
−
5
Sinh học, quang hóa Quang hóa
H
2
O
2
10
−
8
−10
−
6
Quang hóa Ngưng tụ ướt
HO
•
6
10
−
13
−10
−
10

Nhân tạo, sinh học Quang hóa
OCS
10
−
8
Nhân tạo, sinh học, quang hóa Quang hóa
SO
2
≈ 2 × 10
−
8
Nhân tạo, quang hóa, núi lửa Quang hóa
CCl
2
F
2
7
2,8 × 10
−
5
Nhân tạo Quang hóa
H
3
CCCl
3
8
≈1 × 10
−
8
Nhân tạo Quang hóa

Ở các tầng khí quyển cao hơn 80 km, thành phần các cấu tử chính có thay đổi, nhưng
tỷ lệ giữa chúng thay đổi không đáng kể.
2.3. Các phản ứng của oxy trong khí quyển
Một số chuyển hóa cơ bản của oxy giữa khí quyển, địa quyển, thủy quyển và sinh
quyển được trình bày trong Hình 2.3.
Hình 2.3. Trao đổi oxy giữa khí quyển, địa quyển, thủy quyển và sinh quyển [14]
Trong tầng đối lưu, oxy đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình xảy ra trên bề
mặt Trái đất. Oxy tham gia vào các phản ứng tạo ra năng lượng, như quá trình đốt nhiên liệu
hóa thạch:
21
CH
4
(khí thiên nhiên) + 2O
2
→ CO
2
+ 2H
2
O
Vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy của khí quyển để phân hủy các chất hữu cơ. Một số
quá trình phong hóa oxy hóa xảy ra dưới tác dụng của oxy, ví dụ:
4FeO + O
2
→ 2Fe
2
O
3
Bên cạnh các quá trình tiêu thụ oxy, trong khí quyển oxy được tái tạo nhờ quá trình
quang hợp:
CO

khí quyển tồn tại dưới dạng phân tử O
2
. Do có chứa nhiều oxy nguyên tử nên phân tử lượng
trung bình của không khí (
KK
M
) ở độ cao 80 km nhỏ hơn
KK
M
trên bề mặt Trái đất (28,97 g/
mol); vì vậy, người ta chia khí quyển thành hai vùng: homosphere là vùng khí quyển ở độ cao
thấp có
KK
M
đồng nhất; heterosphere là vùng khí quyển trên cao có
KK
M
không đồng nhất.
Bên cạnh nguyên tử oxy O, trong khí quyển còn tồn tại dạng nguyên tử oxy ở trạng
thái kích thích O
∗
. Dạng O
∗
được tạo thành từ các phản ứng sau:
O
3
+ hν (λ = 290−320 nm) → O
2
+ O
∗

+ hν (λ < 290 nm) → O + O
O + O
2
+ M → O
3
+ M
trong đó M là các phân tử khác như N
2
hoặc O
2
đóng vai trò tác nhân hấp thụ năng lượng do
phản ứng tạo ozon giải phóng ra. Ozon có mặt nhiều nhất trong khí quyển ở độ cao từ khoảng
15 đến 35 km, nồng độ ozon cực đại trong vùng này có thể đạt đến 10 ppm. Vùng có chứa
nhiều ozon này được gọi là tầng ozon, có khả năng hấp thụ mạnh bức xạ tử ngoại vùng 220−
330 nm, bảo vệ sự sống trên Trái đất.
22
Phần đọc thêm: Quá trình quang hợp và sự tạo thành các hợp chất của cacbon
Cho đến nay cơ chế của quá trình quang hợp vẫn chưa được giải thích một cách
hoàn chỉnh. Song người ta đã biết nhiều chuyển hóa quan trọng trong quá trình này.
Thực vật có chứa một số các phân tử có màu, có khả năng hấp thụ ánh sáng,
trong đó phổ biến nhất là chlorophyll a và chlorophyll b.
Hình 2.4. Cấu trúc của (a) pyrrole, (b) một vòng porphyrin, (c) chlorophyll
Các liên kết đơn và liên kết đôi luân phiên xen kẽ, được gọi là hệ nối đôi liên
hợp, có các điện tử dễ bị kích thích. Người ta cho rằng, có hai hệ chất màu trong tế
bào có màu lục, mỗi hệ hấp thụ một phần riêng của phổ năng lượng Mặt trời. Một hệ
chứa chlorophyll a, hấp thụ ánh sáng đỏ (
λ

≈
650 nm, năng lượng

thể thu được trực tiếp từ quá trình quang hợp hay từ năng lượng hóa học của các hợp
chất như cacbonhydrat và chất béo khi chúng bị phân tích để tạo thành ATP.
NADPH tham gia phản ứng với các chất khử để tạo thành nicotinamide adenine
dinucleotide photphate và đóng vai trò chất chuyển tải proton và electron:
23
(a) Các cách biểu diễn khác nhau của cấu trúc pyrrole
(b) Porphyrin: cấu trúc chung, có thể chứa
các nhóm thế khác nhau ở các vị trí 1
−
8
N
N
N
CH
N
CH
CH
CH
3
X
C
2
H
5
CH
3
H
CH
3
H

H
CH
N
H
N
H
hay
hay
NH
N
NH
N
1
2
3
4
5
6
7
8NADPH + hợp chất khử
→
NADP
+
+ các sản phẩm oxy hóa
NADPH có thể tạo thành từ NADP
+
từ phản ứng:

bị mất đi sau phản ứng
Sản phẩm của quá trình quang hợp là một loại sinh vật được gọi là sinh vật quang
tự dưỡng (photoautotrophs), loại sinh vật này hấp thụ cacbon dioxit, nước và ánh sáng
Mặt trời, tạo ra các phân tử hữu cơ và khí oxy. Sinh vật quang tự dưỡng sử dụng một ít
hợp chất hữu cơ để tạo nguồn năng lượng cho nhiều phản ứng xảy ra trong tế bào.
Hình 2.5. Vai trò của ATP và NADPH trong các phản ứng quang hợp [16]
Năng lượng dự trữ dưới dạng các hợp chất hóa học, có thể vận chuyển hoặc giải
phóng khi cần, do đó rất thích hợp cho sinh vật vào ban đêm, khi không có ánh sáng
Mặt trời, hoặc lúc tạm thời thiếu cacbon dioxit và nước. Quá trình giải phóng năng
lượng trong phản ứng sau, được gọi là sự hô hấp hiếu khí, có thể xem đây là quá trình
24
Ánh sáng Mặt trời
Chuyển năng lượng
PO
4
3−
+ ADP
ATP
Phân tử hữu cơ
hoạt động đầu tiên
CO
2
Cacbohydrat
Chất béo
Giải phóngNăng lượng
Electron
H
+
NADPH
NADP