1
PHẦN 1: HÓA HỌC NƯỚC
Chương 1: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ HÓA NƯỚC
1. 1. Nước và tính chất của nước
1.1.1. Thành phần, cấu tạo và tính chất của nước
a. Thành phần, cấu tạo của nước
Nước là một hợp chất hoá học rất đặc biệt, trong đó mỗi nguyên tử hiđro góp một
điện tử vào đôi điện tử dùng chung với nguyên tử oxy để tạo thành liên kết cộng hóa
trị. Trong mỗi phân tử nước có hai nguyên tử hiđro và mộ
t nguyên tử oxy.
H
2
O
2
H
2
O
300
0
C

Hai nguyên tử hiđro liên kết với oxy tạo góc liên kết 105
o
.

Trong nguyên tử oxy, hạt nhân của nó thường có điện tích rất mạnh. Chính vì thế
nó có xu hướng kéo điện tử bật khỏi nguyên tử hiđro nhỏ hơn. Kết quả là chúng có ưu
thế trong mối liên kết cộng hóa trị. Do đó, trong phân tử nước có điện tích dương gần
với nguyên tử hiđro và có điện tích âm gần với nguyên tử oxy.
Hyđro có 3 đồng vị Proti (

O (chiếm 99,759% tổng số nguyên tử), trong khi đó
17
O (chiếm 0,037%) và
18
O

(chiếm 0,037%).
Hiđro được phát hiện vào thế kỷ thứ 16, do nhà giả kim thuật người thụy sỹ là
paraxen (1493-1541). Oxy được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1711 do Karl Wilhem
Scheele do một nhà hóa học người thụy điển (1742-1786).
Nước có M = 18 là nước thường, chiếm 99,8% tổng lượng nước tự nhiên.
Nước có M ≥ 19 là nước nặng, chiếm 0,2% tổng lượng nước tự nhiên.
Hàm lượng các loại nước nặng trong tự nhiên phân bố rất khác nhau. Nguyên
nhân là do hàng loạt các quá trình vật lý, hóa học, sinh học xảy ra khác nhau tạo ra sự
phân bố các đồng vị (H và O) khác nhau.
Nước là một phân tử phân cực, nên các phân tử nước có tính chất hấp dẫn lẫn
nhau nhờ lực hút tĩnh điện. Sự hấp dẫn này tạo nên mối liên kết hiđro, nhờ đó ở nhiệt
độ thường chúng ở trạng thái lỏng. Giữa các nhóm phân tử nước tồn tại xen kẽ với các
phân t
ử nước đơn lẻ: mH
2
O ⇔ (H
2
O)
m
có ΔH < 0.
Giá trị m thay đổi theo nhiệt độ (ở thể hơi m = 1; ở thể rắn m = 5;...).
Ở trạng thái rắn, cấu trúc cơ bản gồm một phân tử nước ở trung tâm và bốn phân
tử xung quanh, tập hợp thành hình dạng tứ diện (hình 1).


K 1 1,1056
T
o
nóng chảy (
o
K) 273 276,8
T
o
sôi (
o
K) 373 374,42

- Ở áp suất khí quyển là 1 atm, nước đông đặc ở O
o
C, sôi ở 100
o
C, rất cao so với
điểm sôi của các hợp chất tương tự cùng nhóm.
- Nhiệt độ sôi của nước giảm khi áp suất bên ngoài giảm:
Bảng 2. Mối liên hệ giữa nhiệt độ sôi và áp suất của nước thường

Nhiệt độ sôi t
o
C 0 10 20 30 40 50 100
Áp suất P (mmHg) 4,5 9,2 17,5 31,8 55,3 92,5 760

- Nước là một loại dung môi rất tốt, có khả năng hòa tan một số chất rắn, khi nồng
độ chất tan trong nước càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao và nhiệt độ đông đặc của
dung dịch càng thấp.
- Độ hoà tan của các khí vào nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.

- Nhiệt bay hơi của nước (540 cal/g) lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất khác, cho
nên nước được sử dụng rộng rãi trong các quá trình truyền nhiệt.
- Nhiệt hòa tan của nước cao hơn các chất lỏng khác (trừ NH
3
) và tạo điều kiện giữ
nhiệt ở điểm kết tinh của nước.
- Nhiệt dung riêng của nước (1cal/g.
o
C) cao hơn của các chất lỏng khác (trừ NH
3
)
nên có thể ổn định nhiệt độ ở các vùng địa lý khác nhau.
- Nước có thể đóng vai trò là một chất khử, chất oxy hoá:
2H
2
O - 4e ⇔ 4H
+
+ O
2
E
0
= - 1,230V
2H
2
O + 2e ⇔ 2OH
-
+ H
2
E
0
(1-1)
Nếu ΔΗ

> 0 : thì quá trình hòa tan là thu nhiệt.
Nếu ΔΗ

< 0 : thì quá trình hòa tan là toả nhiệt.
Ví dụ: Hòa tan NaCl vào nước, quá trình có thể chia làm 2 bước:
- Bước 1: Phá vỡ cấu trúc tinh thể của chất tan để tạo thành tiểu phân riêng biệt. Tiếp
đó là phá vỡ lực liên kết liên phân tử giữa các phân tử dung môi để tạo ra các khoảng
trống cho các tiểu phân của chất tan xâm nhập. Trong đa số trường hợp đều thu nhiệt.

4
- Bước 2: Xảy ra tương tác giữa các tiểu phân của chất tan và các phân tử dung môi để
tạo thành dung dịch, tức xảy ra quá trình solvat hóa. Quá trình hòa tan là toả nhiệt.
Nhiệt hoà tan của dung dịch, chính là tổng nhiệt của các giá trị trên.
Tùy quá trình nào chiếm ưu thế mà giá trị ΔH (hiệu ứng nhiệt của phản ứng)

có
thể (+) hoặc (-) hay nói cách khác quá trình hòa tan thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt. Thực tế,
nhiệt hòa tan NaCl trong nước khoảng 3KJ/mol.
Độ hòa tan của một chất là nồng độ bão hòa của dung dịch chứa chất tan đó ở
một nhiệt độ xác định. Độ hoà tan thường được ký hiệu là S (S tính theo mol/l hay g/l).
Dung dịch bão hòa là dung dịch chứa lượng chất tan bằng độ hòa tan của nó tại
một nhiệt độ xác định.
Dung dịch quá bão hòa là dung dịch chứa l
ượng chất tan lớn hơn độ hòa tan của
nó tại một nhiệt độ xác định.


k
Nhiệt độ (
o
K)
O
2
(× 10
-5
) CO
2
(× 10
-5
) H
2
S (× 10
-5
)
273 67,45 3349,51 6825,24
275 63,48 3000,97 6397,08
277 60,52 2788,34 5998,05
279 57,47 2602,91 5626,21
291 43,83 1736,89 3966,99
298 38,76 1407,76 3332,03

5
Định luật Henry chỉ đúng trong trường hợp khí tan không phản ứng với dung
môi, ví dụ: đúng với trường hợp khí O
2
tan trong nước, nhưng không đúng với trường

ực thường dễ hòa tan trong nước; Các chất
hữu cơ thường khó hòa tan trong nước.
1.1.3. Định luật tác dụng khối lượng
a. Tốc độ phản ứng
Trong quá trình phản ứng nồng độ các chất phản ứng giảm dần còn nồng độ các
chất sản phẩm tăng dần. Phản ứng xảy ra càng nhanh thì trong một đơn vị thời gian thì
nồng độ các chất phản ứng giả
m xuống và nồng độ các chất sản phẩm tăng lên càng
nhiều. Như vậy, có thể dùng độ biến thiên nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng
theo thời gian để làm thước đo tốc độ phản ứng.
Tốc độ phản ứng là đại lượng đặc trưng cho diễn biến nhanh hay chậm của một
phản ứng. Nó được đo bằng độ bi
ến thiên nồng độ của các chất phản ứng hay sản
phẩm phản ứng trong một đơn vị thời gian.
Xét phản ứng: A = M + N
Tốc độ trung bình của chất A:
12 12
21 12
CC CC C
v
tt tt t
−
− −Δ
=± =− =−
− −Δ

:v
−
vận tốc trung bình trong khoảng thời gian từ t
1

(K)
+ B
(K)
C
(K)
+ D
(K)
k
1
k
2

Gọi k
1
và k
2
lần lượt là hằng số vận tốc của phản ứng thuận và nghịch. Giả sử
phản ứng thuận cũng như phản ứng nghịch đều thuộc loại đơn giản (nghĩa là phản ứng
chỉ xảy ra trong một giai đoạn, bậc phản ứng riêng phần của mỗi chất bằng hệ số tỉ
lượng nguyên tối giản đứ
ng trước mỗi chất trong phản ứng).
Thực nghiệm cho thấy, với phản ứng đồng thể thì: vận tốc của phản ứng tỷ lệ
thuận với tích nồng độ các chất tham gia.
Vận tốc phản ứng thuận là: v
1
= k
1
[A][B]
Vận tốc phản ứng nghịch là: v
2


k
1
k
2
K
C

= =
[C][D]
[A][B]

Vì k
1
và k
2
là các hằng số vận tốc phản ứng, chỉ tùy thuộc nhiệt độ (và tùy thuộc
bản chất của phản ứng), cho nên ứng với một nhiệt độ xác định (và một phản ứng xác
định), ta có:

k
1
k
2
K
C

= =
[C][D]
[A][B]

1
, k
2
: đặc trưng cho hằng số tốc độ của phản ứng thuận nghịch, chỉ phụ thuộc
vào bản chất phản ứng và nhiệt độ.
Với [A], [B], [C], [D] là nồng độ của A, B, C, D lúc cân bằng.
K
c
: hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc vào bản chất hệ phản ứng và nhiệt độ.
c. Hằng số điện ly
Sự điện ly của chất điện ly yếu là một quá trình thuận nghịch nên ta có thể áp
dụng định luật tác dụng khối lượng.
Giả sử có cân bằng: HA ⇔ H
+
+ A
-

(1-3)

7
Ta có:
][
][][
HA
AH
−+
=Κ

[H
+

AB
A B
Taa
+ −
=

Như vậy, trong dung dịch bão hòa chất điện ly ít tan tích số hoạt độ các ion với
số mũ tương ứng là một hằng số, hằng số này có tên là tích số tan.
Vì chất điện ly khó tan có nồng độ rất nhỏ, nên đa số trường hợp có thể coi hoạt
độ bằng nồng độ, khi đó biểu thức tích số tan có dạng đơn giản:
[][]
nm
mn nm
AB
TAB
+−
=

Giá trị T càng bé thì chất điện li càng ít tan và ngược lại.
Giá trị T là một hằng số xác định ở một nhiệt độ xác định.
Tích số tan là hằng số cân bằng, độ lớn của nó chỉ phụ thuộc vào bản chất chất
tan, nhiệt độ.
Tích số tan có liên hệ chặt chẽ với độ tan S (biểu thị bằng nồng độ mol) của chất
điện ly ít tan.
..
nm
mn mn
AB
TmnS
+

S 1.10
-50
Al(OH)
3
5.10
-33

Ag
2
CrO
4
1,9.10
-12
Cr(OH)
3
7.10
-31

AgCNS 1.10
-12
CaSO
4
2,4.10
-5

ZnS 1.10
-20
PbS 4.10
-26


Nhằm đánh giá tác động tĩnh điện của các ion trong dung dịch.
Ký hiệu: μ
Lực ion μ được tính theo công thức:
22 2
11 2 2
1
11
( ...
22
n
ii
i
CZ CZ CZ
μ
=
=++=
∑
(1-9)
Trong đó C
i
: nồng độ thứ i và Z
i
: điện tích của nó.
Vì điện tích của các ion là không đổi, hàm lượng các ion trong nước thường được
tính bằng mg/l nên người ta có thể chuyển đổi công thức trên bằng công thức:
)...(
2
1
2211 nn
KCKCKC +++=

Na
+
0,043.10
-3
HCO
3
-
0,016.10
-3

Ca
2+
0,10.10
-3
Cl
-
0,028.10
-39
*
Tính hệ số hoạt độ:
Trong thực tế chỉ có thể xác định hệ số hoạt độ trung bình
±
f
. Chẳng hạn với
chất điện ly A
m
B

f
(1-13)
- Với dung dịch có lực ion μ > 0,5 thì hệ số hoạt độ f được tính theo công thức:
A
r
f +
+
Ζ
−=
μ
μ
.10.33,01
.5,0
lg
8
2
(1-14)
r : bán kính ion ngậm nước tính theo cm.
Chú ý: Một số ion có bán kính ngậm nước vào khoảng 3.10
-8
cm, thí dụ OH
-
, F
-
, Cl
-
,
Br
-
, I

A: hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào bản chất của chất điện ly và dung môi.
Bảng 7. Giá trị hệ số hoạt độ f theo μ và điện tích ion Z

Hệ số hoạt độ f
μ
Z = 1 Z = 2 Z = 3
0,000 1,00 1,00 1,00
0,001 0,96 0,87 0,72
0,002 0,95 0,81 0,63
0,003 0,92 0,72 0,48
0,010 0,9 0,63 0,35
Từ bảng giá trị trên cho thấy: lực ion càng lớn và ion có điện tích càng lớn, thì hệ
số hoạt độ f càng nhỏ, tức là sự khác giữa nồng độ và hoạt độ càng lớn. Còn khi lực
ion nhỏ, với các ion có điện tích thấp, thì f ≈ 1.
Một số ví dụ
Ví dụ 1: Xác định lực ion μ của dung dịch hỗn hợp HCl 0,1M và CaCl
2
0,2M.
Giải:
HCl và CaCl
2
trong dung dịch coi
α
= 1.

10
HCl = H
+
+ Cl
-

+ Cl
-
Lực ion
μ
của dung dịch:
01,0)1.01,01.01,0(
2
1
22
=+=
μ
→
1,0=
μ

Hệ số hoạt độ của các ion:

Mff
ClK
05,01,0.1.5,0lglg
2
−=−==
−+

Mff
ClK
9,01,0.1.5,0
2
≈−==
−+

10.7
−
=
μ

Hệ số hoạt độ của các ion:
Mff
ClK
035,007,0.1.5,0lglg
2
−=−==
−+
→
M920ff
ClK
,==
−+

Mff
SO
Mg
14,007,0.2.5,0lglg
2
2
4
2
−=−==
−
+
→

+

Ví dụ 4: Trong 1 lít dung dịch CaCO
3
bão hoà có chứa 0,292 gam Mg
2+
và 0,851 gam
Cl
-
thì hàm lượng CO
3
2-
( tính theo hoạt độ ) là bao nhiêu ? Biết
.10.6,3
9
3
−
=Τ
CaCO

Giải:
CaCO
3
hoà tan theo phương trình:
CaCO
3
⇔ Ca
2+
+ CO
3

211
nên ta có:
222
3
.][
3
fCO
CaCO
−
=Τ

→
fff
CO
5
2
9
2
2
3
10.610.6,3
][
−−
−
==
Τ
=

gamgΜ≈==
−
024,0
5,35
851,0
851,0][ gamCl

036,0)1.024,02.012,0(
2
1
22
=+=
μ

036,01
036,02.5,0
lg
2
+
−=f
⇒
48,0=f

lmg
f
CO /5,710.5,12
48,0

chiếm khoảng 0,001%, trong sinh quyển 0,002%.
Nước cần cho nhu cầu sống của mọi cơ thể và chiếm tới 80 - 90% trọng lượng
sinh vật sống trong môi trường nước và 44% trọng lượng cơ thể con người. Nước đáp
ứng các yêu cầu đa dạng của con người: tưới tiêu cho nông nghiệp, sản xuất công
nghi
ệp, tạo ra điện năng và tô thêm vẻ đẹp cho cảnh quan.
Hằng năm có khoảng 5 triệu km
3
nước bay hơi từ đất và các nguồn nước mặt
(sông, hồ, đại dương,...) sau đó ngưng tụ và mưa xuống, lượng nước do khối nước trên
bay hơi hấp thụ xấp xỉ gần 3.10
20
kcal/năm.
Bảng 8. Thể tích các nguồn nước tự nhiên trên thế giới

Nguồn nước

Thể tích, 1000 km
3

%

Đại dương 1.348.000 97,312
Băng 29.000 2,093
Nước ngầm 8.000 0,577
Hồ, sông suối 200 0,014
Nước chảy tràn mặt đất 40 0,003
Tổng cộng 1.385.240 100
Lượng nước ngọt được con người sử dụng có nguồn gốc ban đầu là nước mưa
ước chừng 105.000 km

13
Đá trầm tích là kết quả tác động của những cấu tử (có thành phần trong khí quyển
hoặc thủy quyển) lên bề mặt vỏ trái đất và là kết quả của quá trình lắng. Những đá
trầm tích quan trọng là nham thạch, cát và đá vôi. Đá mentamorphic được tạo thành từ đá macma và đá trầm tích do tác động của
áp suất và nhiệt độ cao. Trong đó xảy ra các quá trình hóa học và vật lý là những quá
trình dẫn tới những khoáng bền nhiệt và có tỷ trọng đặc biệt.
Quá trình phong hoá của đá bao gồm:
- Phong hóa vật lý
- Phong hóa sinh học
- Phong hoá hoá học
Những quá trình phong hoá hóa học tương đối đơn giản xảy ra như: Quá trình
hoà tan chất kết tinh, quá trình phong hoá do CO
2
, quá trình thuỷ phân, quá trình
phong hoá oxy hoá khử.
Kết quả của các quá trình phong hóa đá: sản phẩm được hoà tan trong nước và bị
cuốn trôi theo dòng chảy và làm cho thành phần hóa học của nước thay đổi. Tuy nhiên,
trong quá trình di chuyển trong nước, tính di động của các nguyên tố rất khác nhau:
- Các chất di động mạnh: Cl, Br, I, S
- Các chất dễ di động: Na, K, Mg, Ca
- Các chất ít di động: SiO
2
, P, Mn
- Các chất di động rất yếu: Fe, Al, Ti
Do tính di động này mà ta thấy nước biển tập trung các chất có tính di động mạnh
nhất như Na
+

Ảnh hưởng của khí hậu:
Khí hậu có thể làm thay đổi các quá trình phong hóa; thay đổi hoạt động sống của
các vi sinh vật; thay đổi quá trình oxy hóa khử trong nước…
*
Ảnh hưởng của nước ngầm:
Nước ngầm tiếp xúc với nham thạch nhiều nhất, nên thành phần hóa học của
nước ngầm chủ yếu phụ thuộc vào tầng nham thạch và đất chứa nó.
Thành phần hóa học và độ khoáng hóa của nước ngầm tầng sâu biến đổi theo
mùa ít hơn nước mặt. Nước ngầm ở dưới sâu có thể hầu như không chứa chất hữu cơ
và vi khu
ẩn. Tuy nhiên, khả năng ô nhiễm các nguyên tố vi lượng trong nước ngầm
cao hơn nước mặt, điển hình là ô nhiễm Fe, Mn, As, F
-
, Br
-
, S
2-
,…
1.2.3. Thể khí hòa tan và nồng độ ion hyđro (H
+
)

Nói chung các chất khí trong khí quyển đều có mặt trong nước do kết quả của hai
quá trình cơ bản là khuếch tán và đối lưu.
Có nhiều loại khí hòa tan trong nước và có ảnh hưởng tới thành phần hóa học của
nước. Chúng ta nghiên cứu một số khí chủ yếu hòa tan trong nước.
a. Khí oxy

Oxy là loại khí ít hòa tan trong nước và không tác dụng với nước về mặt hóa học.
Oxy hòa tan trong nước ở dạng phân tử tự do gọi là lượng oxy hòa tan, viết tắt là

10 11,00 30 7,29
- Hàm lượng oxy hòa tan giảm dần theo chiều sâu của nước.
- Khi độ muối tăng, độ hòa tan oxy giảm.
Bảng 10. Ảnh hưởng của nồng độ muối đến độ hòa tan của oxy trong nước

t
o
C 0 10 20 30
Sự giảm độ tan của oxy (mg/l) ứng
với biến đổi mỗi độ muối (1g/l)
0,08405 0,06217 0,04777 0,04085
- Hàm lượng oxy trong nước tự nhiên thường dao động từ 0 đến 14 mg/l.
- Trong nước ngọt lượng oxy hòa tan (DO) ở 0
o
C và 1 atm là 14,65 mg/l. Người ta
thường lấy DO ở 25
0
C, 1 atm bằng 8 mg/l.
- Mức tiêu thụ oxy trong nước bởi các chất ô nhiễm được biểu thị qua chỉ số nhu
cầu oxy sinh hóa (Biochemical oxygen Demand - BOD) hay nhu cầu oxy hóa học
(Chemical Oxygen Demand - COD).
b. Khí cacbonic

Hệ CO
3
2-
- CO
2
trong nước đóng vai trò rất quan trọng vì nó tham gia vào quá
trình trao đổi giữa khí quyển và nước trên lớp nước bề mặt.

3

Khi pH ≥ 5: H
2
CO
3
⇔ H
+
+ HCO
3
-

Khi pH ≥ 8: HCO
3
-
⇔ H
+
+ CO
3
2-

- Trong thực tế có thể tăng hoặc làm giảm hàm lượng của khí CO
2
trong nước bề mặt.

16
- Ở trầm tích, CO
2
tham gia phản ứng:
CaCO

d. Nồng độ ion H
+

Trong nước nguyên chất tồn tại cân bằng:
H
2
O + H
2
O H
3
O
+
+ OH
-

Đơn giản ta viết:
H
2
O H
+
+ OH
-

Ở 298
0
K: [H
+
] = [OH
-
] = 10

và một
số ion khác có trong nước.
Cân bằng cacbonat hòa tan (hệ đóng)
Đối với dung dịch hệ cacbonat đơn giản, có 6 cấu tử hòa tan: CO
2
, H
2
CO
3
,
HCO
3
-
, CO
3
2-
, H
+
, OH
-
. Hệ gồm 4 phương trình quan hệ:
H
2
CO
3
⇔ CO
2(aq)
+ H
2
O

C
COH
(1-17)
Tổng CO
2
hòa tan ([H
2
CO
3
*
]): [H
2
CO
3
*] ⇔ [CO
2

(aq)
] + [H
2
CO
3
] (1-18)
(từ: 1-18) →
*][
]][[
32
3
1
ΟΗ

O ⇔ H
+
+ OH
-

]][[
2
−+
ΟΗ=Κ
H
OH
(1-20)
Lúc này trong hệ gồm có các cấu tử: CO
2 (aq)
, H
2
CO
3
, HCO
3
-
, CO
3
2-
, H
+
, OH
-
.
Nồng độ tổng hợp các hợp phần của hệ (C

;
2
3221321
2
32
2
3
][
*][
][
*][
.
][][
][
][
++++
−
−
Η
Ο
=
Η
Ο
Η
Κ
=
Η
ΟΚ
=Ο
CHKKCHKHC

KK

⇒
T
CCH =Ο *][
32
[ ]
2
211
][][
1
++
Η
+
Η
Κ
+
KK
-1

(1-21)

Các công thức trên cho phép định lượng phần trăm từng dạng cacbonat có trong
nước. Chẳng hạn: Trong nguồn nước biển, giá trị K
1
đo được tại 22
0
C và áp suất 1atm
là 4.10
-7

3
)
2
,
Mg(HCO
3
)
2
,…khi đó làm tăng nồng độ HCO
3
-
, như thế làm giảm nồng độ H
+
, tức là
tăng pH. Giả sử trong dung dịch chứa một lượng đáng kể ion Ca
2+
:
HCO
3
-
⇔ H
+
+ CO
3
2-

−
−
+
−

2-

+
−−+
Κ=⇒=
ΟΟ
2
2
3
2
3
2
2
.
Ca
CCCa
a
T
aaaT

⇒
−++
−
+
ΟΗ
ΟΗ
Η
Κ
=Κ=
3

2
CO
3
và H
2
O tăng lên, dẫn đến pH
tăng. Nếu nhiệt độ tăng thì độ hòa tan của khí CO
2
trong nước lại giảm, khi đó pH
tăng.
Ở 25
0
C, hằng số phân ly axít H
2
CO
3
, HCO
3
-
:
H
2
CO
3
⇔ H
+
+ HCO
3
-


10
][
]][[
−
−
−+
=
ΟΗ
ΟΗ
=Κ
C
C

⇒
][
][
][
3
32
1
−
+
ΟΗ
ΟΗ
=
Κ
Η
C
C
⇒

o
Cl
10 14 20 24 28 30
K
1
(10
-8
)
15 0,74 0,8 0,89 0,95 0,99 1,01
20 0,8 0,87 0,97 1,04 1,07 1,10
K
2
(10
-9
)
15 0,6 0,66 0,76 0,83 0,9 0,93
20 0,8 0,89 1,02 1,12 1,21 1,26
(K
1
*
, K
2
*
: hằng số nồng độ biến đổi theo độ muối)
Từ biểu thức trên cho thấy: K
1
, K
2
là hằng số, tỷ lệ với nồng độ hệ cacbonat phụ
thuộc vào nồng độ ion H

]
Ở pH > 6,35,
65,6
10][
−+
<Η
→ [HCO
3
-
] > [H
2
CO
3
]
- Biểu thức K
2
:
Ở pH = 10,33,
2
33,10
10][ K==Η
−+
→ [HCO
3
-
] = [CO
3
2-

]


% mol của các thành phần
pH
Tương quan hàm lượng giữa các
thành phần trong hệ cacbonat
(tính theo mol/L)
H
2
CO
3
HCO
3
-
CO
3
2-

3,35 [H
2
CO
3
] = 1000 [HCO
3
-
] 99,99 0,1 0
4,35 [H
2
CO
3
] = 100 [HCO

-
] = 100 [CO
3
2-

]
1 98 1
9,3 [HCO
3
-
] = 10 [CO
3
2-
] 0,1 90,9 9
10,3 [HCO
3
-
] = [CO
3
2-
] 0 50 50
11,3 [CO
3
2-
] = 10 [HCO
3
-
] 0 9,1 90,9
Từ bảng 12 có thể rút ra một số đặc điểm sau về sự tồn tại hệ cacbonat:


1.2.4. Các ion chủ yếu có trong nước thiên nhiên

a. Ion Cl
-

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion Cl
-
là từ khí HCl và một phần nhỏ từ sự
phong hóa, hòa tan các khoáng vật có chứa clo trong thạch quyển.
Trong nước đại dương, ion Cl
-
có nguồn gốc khí HCl được thoát ra từ hoạt động
phun trào ở đáy đại dương và một phần từ nước sông trên các lục địa.
Trong nước sông, nước hồ,…có thể không có hoặc rất ít ion Cl
-
, nhưng trong
nước biển thì hàm lượng Cl
-
rất cao. Hàm lượng Cl
-
trong nước tự nhiên có thể biến
đổi từ 0 đến 170g/l.
Ngày nay, ion Cl
-
trong nước mặt (trên lục địa) còn có nguồn gốc từ hoạt động
nhân sinh, nhưng đáng kể nhất là từ nước thải công nghiệp chứa lượng lớn clo, được
thải vào các vực nước tự nhiên có thể làm tăng độ khoáng hóa, làm biến đổi kiểu hóa
học của nước, do đó làm suy giảm chất lượng, ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái của vực
nước, đặc biệt là các v
ực nước tĩnh như hồ, đầm,…

S dần bị oxy hóa thành axít sunfuric và nước tự nhiên cũng bắt đầu chứa
ion SO
4
2-
.
Nguồn gốc chính tạo nên ion SO
4
2-
:
- Trong nham trầm tích có chứa thạch cao CaSO
4
.2H
2
O, khoáng vật sunfua.
- Oxy hóa lưu huỳnh trong tự nhiên.
- Oxy hóa các hợp chất sunfua có trong dung nham, đặc biệt là các dung nham của núi lửa
- Hoạt động của con người mà chủ yếu là ngành công nghiệp.
- Do quá trình phân giải xác động thực vật.
Hàm lượng trung bình SO
4
2-
trong nước đại dương chiếm 9,28% trong tổng hàm
lượng các anion (tính theo mđl/kg). Hàm lượng của ion SO
4
2-
tuy ít nhưng ở đâu cũng

20
có. Trong các hồ nước ngọt hàm lượng SO
4

phản ứng với axít silixic hòa tan và các thành phần khác hình thành các khoáng thứ
sinh như đất sét,…
Trong nước đại dương, ion Na
+
có hàm lượng lớn nhất trong các cation, còn ion
K
+
có hàm lượng nhỏ nhất trong các cation. Các ion còn lại có hàm lượng rất ít. Chẳng
hạn, trong nước biển hàm lượng Rb khoảng 0,2 mg/l; Li chỉ khoảng 0,1 mg/l.
Hàm lượng trung bình trong nước đại dương: Na
+
: chiếm 77,34% tổng các cation
(tính theo mđl/kg), ion K
+
chỉ chiếm 1,64%.
Ion Na
+
đặc trưng cho nước có độ khoáng hóa cao. Khi hàm lượng Na
+
đạt vài
g/l thì nó là ion chủ yếu có trong nước.
d. Các ion Ca
2+
, Mg
2+

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion Ca
2+
, Mg
2+

.
Trong nước đại dương, hàm lượng trung bình của Ca
2+
chiếm 3,37% trong tổng cation;
Mg
2+
chiếm 17,62% (tính theo mđl/kg).
e. Các ion HCO
3
-
, CO
3
2-

HCO
3
-
, CO
3
2-
trong nước thiên nhiên có nguồn gốc từ khí CO
2
trong khí quyển,
trong không khí đất và khoáng cacbonat trên bề mặt trái đất, đặc biệt là trong nước có
độ khoáng hóa thấp.
Trong nước lục địa, đặc biệt là nước có nguồn gốc khí quyển, nước ngầm trong
các thành phần tạo trầm tích cacbonat và nước có nguồn gốc macma, ion HCO
3
-
có

O ⇔ M
2+
+ 2HCO
3
-

f. Hợp chất sunfua

Trong nước thiên nhiên, các hợp chất sunfua có thể tồn tại thể khí H
2
S hòa tan,
dạng HS
-
, S
2-
của axít H
2
S và của các muối của hai dạng đó. Sự điện ly của H
2
S:

21
H
2
S ⇔ H
+
+ HS
-

7

=
Η
Η
=Κ
S
S

1.2.5. Các nguyên tố vi lượng và chất hữu cơ trong nước thiên nhiên

a. Các nguyên tố vi lượng trong nước thiên nhiên

Các thành phần vi lượng trong nước là những thành phần tồn tại với hàm lượng <
1mg/L, tức là thuộc cỡ hàm lượng phần triệu, phần tỷ (ppm ⇔ mg/L, ppb ⇔ μg/L)
hoặc nhỏ hơn nữa. Các thành phần vi lượng được tính hàm lượng ở cả hai dạng: dạng
hòa tan (bao gồm cả khí hòa tan) và dạng lơ lửng.
Có thể chia thành phần vi lượng trong nước thành hai nhóm sau:
- Các thành phần vô cơ vi lượng: Hg, As, Se, Cd, Pb, Cu, Zn,,…, Br, I, F, xianua,
sunfua,… tồn t
ại trong nước ở nhiều dạng như cation, anion, phức vô cơ, phức hữu cơ,
khí (dạng hòa tan); ion hấp phụ vào các chất lơ lửng và chất keo trong nước, các vi kết
tủa của các khoáng thứ sinh được hình thành trong nước (dạng lơ lửng và dạng keo).
- Các thành phần hữu cơ vi lượng: phenol và dẫn xuất, thuốc bảo vệ thực vật, chất
tẩy rửa, dầu, mỡ,…
Các nguyên tố thuộc nhóm halogen (tr
ừ clo), là nguyên tố vi lượng có trong nước
thiên nhiên. Chúng có tác dụng rất lớn trong quá trình sống của sinh vật. Ví dụ như flo,
nếu không có flo hoặc có quá nhiều flo (> 1,5 mg/l) đều gây các bệnh về răng. Nếu
thiếu iốt gây các bệnh nội tiết…
Các nguyên tố thuộc nhóm kim loại nặng (Cu, Ni, Co, Pb, Hg, Cd …) có rất ít
trong nước thiên nhiên.


Thành phần hóa học của nước sông được quyết định bởi đặc tính vốn có của con
sông ấy. Đặc tính ấy bao gồm các yếu tố sau: Nguồn nước cung cấp, cấu tạo địa chất,
khí tượng, thuỷ văn, khí hậu, tốc độ dòng chảy,…
Bảng 13. Thành phần hoá học trung bình của nước sông hồ

Thành phần % trọng lượng Thành phần % trọng lượng
CO
3
2-
35,2 Ca
2+
20,4
SO
4
2-
12,4 Mg
2+
3,4
Cl
-
5,7 Na
+
5,8
SiO
2
11,7 K
+
2,1
NO

HCO
3
-
tăng rất nhanh. Đối với các con sông có độ khoáng hoá cao, khi độ khoáng hóa tăng
lên thì hàm lượng các ion cũng tăng theo, nhưng đặc biệt hàm lượng HCO
3
-
giảm.
1.3.3. Động thái của các hợp chất hữu cơ
Các chất hữu cơ trong nước sông tồn tại dưới dạng trạng thái các chất mục nát bị
xối từ đất và đầm lầy chảy vào sông và các sản vật được phân giải từ các chất hữu cơ
tạo ra.
a. Độ oxy hóa của nước (COD - Chemical Oxygen Demand)

23
Để xác định hàm lượng của các chất hữu cơ tồn tại trong nước người ta dùng đại
lượng chỉ độ oxy hóa của nước, viết tắt là COD.
Độ oxy hóa của nước là số miligam oxy cần thiết để oxy hoá hết các chất hữu cơ
có trong 1 lít nước. Như vậy qua lượng oxy cần dùng có thể tính ra hàm lượng các hợp
chất hữu cơ có trong nước.
b. Phân loại nước sông

Dựa vào độ oxy hoá người ta chia nước sông ra các loại:
- Nước sông có COD rất thấp: COD ≤ 2 mg/l.
- Nước sông có COD thấp: COD = 2 ÷ 5 mg/l.
- Nước sông có COD trung bình: COD = 5 ÷ 10 mg/l.
- Nước sông có COD hơi cao: COD = 10 ÷ 20 mg/l.
- Nước sông có COD cao: COD = 20 ÷ 30 mg/l.
- Nước sông có COD rất cao: COD > 30 mg/l.
1.3.4. Động thái của các chất khí hòa tan và của ion H

cao vì sinh vật trong nước ít hoạt động nên lượng
CO
2
tiêu thụ ít, đồng thời nguồn nước chính cung cấp cho sông về mùa đông là nước
ngầm thường có nhiều CO
2
.
Về mùa hạ, nhiệt độ cao, hoạt động của các vi sinh vật nhiều nên hàm lượng của
CO
2
giảm nhiều, chỉ vào khoảng 1 - 3 mg/l. Thậm chí có lúc không còn CO
2
trong
nước, nên vi sinh vật phải lấy CO
2
trong không khí.
b. Động thái của ion H
+24
Hàm lượng ion H
+
trong nước sông phụ thuộc nhiều vào mùa vụ.
- Giá trị pH của hầu hết các con sông trong mùa đông từ 6,8 - 7,8 còn trong mùa hạ
cao hơn, từ 7,8 - 8,8.
- Các con sông được bổ sung bằng nguồn nước của các đầm lầy thì thường có pH thấp
(pH < 6). Các con sông ở khu vực nhiệt đới về mùa hạ độ pH có thể tăng lên tới 9.
1.4. Hóa học nước ngầm


học của nước ngầm chứa nhiều chấ
t có nguồn gốc vi sinh vật.
Nước ngầm không có oxy. Khi độ pH < 5,5, trong nước ngầm thường chứa nhiều
khí CO
2
. Đây là khí có tính ăn mòn kim loại và ngăn cản việc tăng pH của nước.
Thường nước ngầm có nồng độ khí CO
2
khoảng 30 - 50 mg/l, nhiều nơi nước ngầm
mạch sâu (200 – 300 m) nồng độ CO
2
có thể lên đến 320 mg/l. Các biện pháp làm
thoáng có thể đuổi khí CO
2
, đồng thời thu nhận oxy hỗ trợ cho các quá trình khử sắt và
mangan. Ngoài ra, trong nước ngầm có thể chứa khí H
2
S có hàm lượng đến vài chục
mg/l. Đây là sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ có trong nước.
1.4.2. Sự phân tầng của nước ngầm

a. Nước tầng trên

Từ mặt đất thấm xuống tạo ra tầng nước ngầm này, sau đó lại được tháo tiêu ra
sông, hồ. Vì vậy nước tầng này giao lưu mạnh.

25
Thành phần hóa học của nước tầng trên phụ thuộc vào: thành phần hóa học của nguồn
nước mặt, thành phần hóa học của lớp tầng đất chứa nó, khí hậu, thời tiết…
Do sự bay hơi của nước mặt đất, nước ngầm ở tầng trên có thể theo các mao dẫn

Người ta thường căn cứ vào hàm lượng một số chất có tác dụng kích thích sinh
họ
c trong nước khoáng để phân loại nước khoáng.
Hàm lượng CO
2
tự do tối thiểu để được gọi là nước khoáng là 0,250 g/l. Hàm
lượng CO
2
tự do xấp xỉ bằng 0,750 g/l mới được gọi là nước khoáng cacbonic.
Thực ra giới hạn giữa nước nhạt và nước khoáng không rõ rệt. Có những loại
nước có độ khoáng hoá rất thấp, nhưng có chứa một số chất có tác dụng chữa bệnh nên
vẫn được gọi là nước khoáng. Người ta cũng có thể phân loại nước khoáng theo nhiệt
độ: nước lạnh (nhiệt độ của nước < 253
o
K), nước ấm (nhiệt độ của nước từ 253 -
310
o
K), nước nóng (nhiệt độ của nước > 315
o
K)
b. Nước có thành phần đặc biệt

Trong nước ngầm có loại nước chứa rất ít các ion và không ổn định. Đặc biệt
trong loại nước này có chứa hàm lượng ion H
+
cao nên được gọi là nước axít và giá trị
pH thường nhỏ hơn 4.
Nguồn gốc của các loại nước này là do các hợp chất của S trong nham thạch bị
oxy hoá dần dần tạo thành H
2