Bài giảng Cơ sở hóa môi trường - Phần thứ nhất: Hóa học môi trường - Chương I: Một số vấn đề chung - Ngô Xuân Lương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨCKHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊNCƠ SỞ HÓA MÔI TRƯỜNGTH.S NGÔ XUÂN LƯƠNGThanh Hóa, năm 2006MỞ ĐẦU MÔI TRƯỜNG THEO NGHĨA RỘNG LÀ TẬP HỢP CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN, XÃ HỘI, NHÂN TẠO CÓ QUAN HỆ MẬT THIẾT, TÁC ĐỘNG QUA LẠI VỚI NHAU VÀ QUA ĐÓ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CUỘC SỐNG SỰ TỒN TẠI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CON NGƯỜI VÀ GIỚI TỰ NHIÊN. MÔI TRƯỜNG CÓ TẦM QUAN TRỌNG ĐẶC BIỆT ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG CỦA ĐẤT NƯỚC. TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN, CON NGƯỜI KHÔNG CHỈ KHAI THÁC THIÊN NHIÊN MÀ CÒN PHẢI GIỮ GÌN VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN, TẠO LẬP MÔI TRƯỜNG NHÂN TẠO PHÙ HỢP VỚI NHU CẦU CỦA CUỘC SỐNG VÀ CÁC HOẠT ĐỘNG SẢN XUẤT, DỊCH VỤ, XÂY DỰNG MÔI TRƯỜNG XÃ HỘI VỚI CÁC MỐI QUAN HỆ CỘNG ĐỒNG XÃ HỘI TỐT ĐẸP, BẢO ĐẢM PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG VÀ LỢI ÍCH LÂU DÀI CHO CÁC THẾ HỆ HÔM NAY VÀ MAI SAU.BÀI GIẢNG: CƠ SỞ HÓA MÔI TRƯỜNG Môi trường có vai trò đặc biệt đối với sự sống và chất lượng cuộc sống đối với con người. Con người cần có các yếu tố môi trường trong lành, tài nguyên thiên nhiên thích hợp để sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất, cần có không khí trong lành để thở, cần có nước sạch để sinh hoạt hàng ngày, cần có một môi trờng văn hoá - xã hội lành mạnh, văn minh để hình thành và phát triển nhân cách, nâng cao chất lượng cuộc sống cả về vật chất lẫn tinh thần Môi trường là một vấn đề đã và đang thu hút sự quan tâm của toàn thế giới. Trong mấy chục năm trở lại đây do sự phát triển kinh tế ồ ạt dưới tác động của cách mạng khoa học kỹ thuật và sự gia tăng dân số quá nhanh làm cho môi trường bị biến đổi chưa từng thấy. Nhiều nguồn tự nhiên bị vắt kiệt, nhiều hệ sinh thái bị tàn phá mạnh, nhiều cân bằng trong tự nhiên bị rối loạn, môi trường lâm vào khủng hoảng với quy mô toàn cầu, trở thành nguy cơ thực sự đối với cuộc sống hiện đại và sự tồn vong của xã hội trong tương lai. Để bảo vệ cái nôi sinh thành của mình, con người phải thực hiện hàng loạt các vấn đề phức tạp, trong đó có vấn đề GDMT, GDMT là một trong những biện pháp có hiệu quả nhất, giúp cho con người có nhận thức đúng trong việc khai thác, sử dụng và bảo vệ các tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường. Lần đầu tiên trong lịch sử, vào năm 1948 tại cuộc họp Liên hợp quốc về bảo vệ môi trường và tài nguyên thiên nhiên ở Pari, thuật ngữ " GDMT" được sử dụng, tiếp sau đó ngày 5/6/1972 tại hội nghị (LHQ) họp ở Stôkhôm (Thuỵ Điển) đã nhất trí nhận định: Việc bảo vệ thiên nhiên và môi trường là hai nhiệm vụ hàng đầu của toàn nhân loại (cùng với nhiệm vụ bảo vệ hoà bình chống chiến tranh).Cũng vì thế ngày 5 tháng 6 hàng năm trở thành "Ngày môi trường thế giới” Hội nghị cũng đã tuyên bố: GDMT rất lần thiết để làm cơ sở cho nhận thức và hành vi có trách nhiệm của cá nhân và tổ chức trong việc bảo vệ và cải thiện môi trường. Điều 96 của hội nghị yêu cầu sự phát triển của GDMT như một yếu tố quyết định nhất để tấn công vào cuộc khủng hoảng môi trường trên toàn thế giới. Sau hội nghị Stôkhôm, ở nhiều nước GDMT đã được đưa vào các trường học. Đến năm 1973, người ta thấy có khoảng 1000 chương trình được giảng dạy trong 750 trờng và viện thuộc 70 nước khác nhau. Tuy nhiên, mục đích nội dung của GDMT lúc đó chưa được xác định rõ ràng. Phải đợi đến các hội nghị quốc tế sau, vấn đề này mới được giải quyết và hoàn thiện.Tháng 01 năm 1975 tại hội nghị quốc tế và GDMT họp ở Bengrat (Nam Tư) lần đầu tiên UNESCO (Tổ chức văn hoá khoa học và giao dục của LHQ) đã khởi thảo một chương trình GDMT và quốc tế (IEEP).Tiếp sau đó, nhiều hội thảo khu vực về GDMT đã được tổ chức, Hội thảo của khu vực Châu á - Thái Bình Dương đã được tổ chức vào tháng 10/1976 tại Băng Cốc (Thái Lan). Tổng kết hội thảo này, người ta đã đưa ra 15 kiến nghị thuộc 4 vấn đề: Chương trình GDMT, đào tạo bồi dưỡng giáo viên, GDMT phi chính quy và vấn đề soạn thảo các tài liệu, xây dựng các phương tiện phục vụ GDMT. Đầu tháng 8/1987, UNESC và UNED (chương trình môi trường LHQ) lại phối hợp tổ chức hội nghị quốc tế về GDMT tại Matxcơva. Với đại diện của 100 nước và nhiều tổ chức quốc tế về chương trình hành động GDMT cho thập kỷ 90, Hội nghị Matxcơva còn quyết định đặt tên cho thập kỷ 90 là "Thập kỷ toàn thế giới cho GDMT". Với tinh thần trên, tháng 10/1990 tại Pari đã mở hội nghị quốc tế do UNESCO và UNED tổ chức với sự tham gia của nhiều tổ chức quốc tế thuộc LHQ. Hội nghị nhằm mục đích trao đổi về sự tăng cường trách nhiệm của từng tổ chức quốc tế trong lĩnh vực GDMT. Tại hội nghị, một lần nữa người ta lại nhấn mạnh nhiệm vụ GDMT cho tất cả mọi người, đặc biệt là cho thế hệ trẻ và tầm quan trọng của việc bồi dưỡng kiến thức về môi trường cho giáo viên các cấp.Hội nghị thượng đỉnh (UNCED) diễn ra tại Rio de Janero vào 2 ngày năm 1992. Có 120 vị đứng đầu nhà nước chính phủ, cùng các đoàn đại biểu của hơn 170 nước tham dự. Song song với hội nghị còn có diễn đàn toàn cầu lôi cuốn đại diện của hàng trăm các nhóm có quan tâm đặc biệt, các tổ chức phi chính phủ vào các kỳ diễn thuyết, trình bảy, thảo luận và hội thảo trên một phạm vi rộng về các đề tài và vấn đề môi trường.ở Việt Nam, từ năm 1996, Chủ tịch Hồ Chí Minh đã phát động phong trào Tết trồng cây để giữ gìn và làm đẹp môi trường sống. Cho đến nay phong trào này vẫn được duy trì và phát triển mạnh mẽ.Năm 1991 Bộ Giáo dục - Đào tạo đã có chương trình trồng cây phát triển giáo dục - đào tạo và bảo vệ môi trường (1991 - 1995)Từ năm 1986 trở đi, cùng với các đề tài nghiên cứu khoa học và bảo vệ môi trường, các tài liệu về bảo vệ môi trường đã xuất hiện (Hoàng Đức Nhuận 1982, Nguyễn Dược 1982, 1986, Trịnh Thị Bích Ngọc 1982...)Thông qua việc thay SGK (cải cách giáo dục) (1986 - 1992) các tài liệu chuyên ban và thí điểm, tác giả SGK đã chú trọng đến việc đưa nội dung GDMT vào sách, đặc biệt là ở môn Sinh, Địa, hoá, Kỹ thuật.Trong "kế hoạch hành động quốc gia về môi trường và phát triển bền vững của Việt Nam giai đoạn 1996 - 2000" GDMT được ghi nhận như một bộ phận cấu thành.Từ năm 1995, Dự án giáo dục môi trường trong nhà trường phổ thông Việt Nam (VIE 95/041) của Bộ Giáo dục - Đào tạo do UBDP tài trợ đã nhằm vào các mục tiêu cơ bản:+ Hỗ trợ xây dựng một bản chính sách và chiến lược thực hiện quốc gia về GDMT tại Việt Nam.+ Tăng cường năng lực của Bộ Giáo dục - đào tạo trong việc truyền đạt những nội dung và phương pháp GDMT vào các chương trình đào tạo giáo viên.+ Xây dựng các hoạt động GDMT cụ thể để thực hiện ở cấp tiểu học và trung học.Các mục tiêu trên được thực hiện ở mức chi tiết và cụ thể hơn trong thực tiễn thông qua dự án VIE98/018.ở các trường ĐH, GDMT đã được coi như một nội dung quan trọng trong các giáo trình "con người và môi trường" "Dân số, tài nguyên, môi trường". Môi trường đã được học thành một môn học trong các khoa sinh, địa, hoá. ở các trường ĐHSPHN, Huế, TPHCM...PHẦN THỨ NHẤTHOÁ HỌC MÔI TRƯỜNGCHƯƠNG 1 : MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUNGChương II: Hoá học của khí quyểnI. Cấu trúc của khí quyển.Là tập hợp rất nhiều các nguyên tố bao quanh trái đất. Chia làm 2 phần phần trong: tầng đối lưu, bình lưu, trung gian, nhiệt còn phần ngoài: điện từ và các tầng được phân cách bởi lớp tạm dừng1. Tầng đối lưu:0  11km, -50  400C, quyết định khí hậu trái đất có sựa xao trộn mạnh dòng hỗn hợp khí và các đám mây hơi nước sinh ra do sự chênh lệch T0 ở các vùng khác nhau. Thành phần hơi nước tuân theo vòng tuần hoàn nước tự nhiên các chất bẩn hoặc ô nhiễm sinh ra bởi các hoạt dong tự nhiên và con người dễ dàng bị xáo trộn và pha lẫn T0 khí quyển gần MĐ cao nhất do sự toả nhiệt T0 thấp nhất ở đỉnh tầng đối lưu. Được ngăn cách với tầng bình lưu bởi lớp tạm dừng đánh dấu bởi sự PT T0II. Một vài định nghĩa:1. Chất ô nhiễm (pollutant)Là những chất có trong thiên nhiên nhưng hiện nay tồn tại ở một khu vực với hàm lượng lớn đã có gây tác hại cho môi trường, con người và tổ chức cơ thể sống.2. Chất nhiễm bẩn (contanninant)Chất không có trong tự nhiên và phát sinh ra do tác động con người vào môi trường đến mức gây tác hại cho con người và môi trường.3. Môi trường ô nhiễmLà môi trường lưu giữ và tương tác chất gây ô nhiễm4. Môi trường tiêu tán (sink)Là môi trường lưu giữ và tương tác với chất ô nhiễm tồn tại lâu dài5. Lưu trình (pathway) Lưu trình của chất gây ô nhiễm là cơ chế trong đó chất ônhiễm đi từ ngoài vào các bộ phận của môi trường.III. Cơ sở khoa học của hóa học môi trường.1. Các thành phần môi trường của trái đất. Trái đất được coi là một hệ thống kín về mặt hoá học môi trường chúng trao đổi năng lượng chỉ trong phạm vi giữa các môi trường,các dạng môi trườngvới nhau mà không có sự tác động chất với môi trường xung quanh nó bao gồm như là khí quyển, thuỷ quyển, địa quyển , sinh quyển...2. Cân bằng năng lượng của trái đất:Năng lượng mặt trời vào trái đất: 5,51.1024J/năm dưới dạng các tia tử ngoại, nhìn thấy được,tia hồng ngoại. Trong đó có 30,5% bị phản xạ quay trở lại mặt trời (gồm 85% bị phân tán, phản xạn bởi mây, các thành phần khí và hơi trong khí quyển; 15% bị phân tán phản xạ bởi địa quyển); 69,5% còn lại: trong đó 45% được hấp thụ vào trái đất và biển;24,5% do hấp thụ của khí quyển. Khí quyển ngăn không cho các tia tử ngoại, độc hại đi vào trái đất, chủ yếu do các lớp gồm: năng lượng môi trường có tác dụng làm nóng khí quyển, thuỷ quyển, bề mặt trái đất, làm bay hơi nước, nhờ quá trình này vận chuyển năng lượng đi vào khí quyển.Quá trình vận chuyển nhiệt từ bề mặt trái đất vào khí quyển sẽ gây nên các chuyển động đối lưu, giữa trái đất và khí quyền sẽ tồn tại cân bằng năng lượng. Cân bằng năng lượng của 1 điểm trên bề mặt trái đất là: Q =  + QA + Qv + QE + QF + QN + QD : cân bằng năng lượng tiaQA: Nhiệt toả trực tiếp vào khí quyểnQB: Nhiệt bốc hơi nướcQE: Nhiệt trao đổi bên trong trái đấtQF: Nhiệt sử dụng cho quá trình tổng hợp quang của cây trồng QN: Nhiệt do tác động của con người sinh raQD: Nhiệt của một số quá trình đặc biệt, đột biến, rất nhỏ:  S + K +  A + AL + ES: Năng lượng do các tia môi trường mang đếnK: Năng lượng do các tia sóng ngắn đi vào phân tánA: Năng lượng đi tới bề mặt trái đất của tia bức xạ hồng ngoạiAL: Năng lượng phản xạ trở lại mặt trờiE: Năng lượng của các tia hấp thụ nhiệt của bề mặt trái đấtDo quá trình trao đổi năng lượng nên phạm vi dao động nhiệt độ trên bề mặt trái đất rất hẹp 1500K(- 900C - +600C). Nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất là 2870K. Một phần năng lượng tia đi vào trái đất được sử dụng để tạo hợp chất cacbua hiđro là thành phần của sự sống từ C02.6C02 + 6H20  C6H1206 + 602 H = 2830KJ/molVậy năng lượng mặt trời chuyển thành năng lượng hoá học tồn trữ trên trái đất, con người sử dụng năng lượng dự trữ này cho hoạt động sống của mình nhờ phản ứng sản xuất năng lượng nhân tạo theo phản ứng C+O2  C02. Năng lượng duy trì sự sống chiếm 0,05% năng lượng môi trường vào trái đất. Lượng năng mà con người sử dụng ít hơn rất nhiều so với năng lượng mặt trời đưa vào trái đất.IV. Môi trường và phát triển và phát triển bền vững1. Sự phát triển của hoá địaTrái đất có tuổi 4,6 tỉ năm. Thuở sơ khai có sự tích tụ và xâm nhập của các chất dạng khí và dạng rắn. Khoảng 1 tỉ năm lại có 1 quá trình hâm nóng, một phần khối lượng trái đất bị nóng chảy và phân ly theo tỉ trọng, theo phản ứng kết hợp vơí các quá trình làm nguội từ từ sau đó dẫn đến sự kết tinh các vật liệu dần dần xuất hiện cấu trúc hành tinh .Trước tiên sự phân huỷ các nguyên tố dễ bay hơi như N, khí trơ ,lúc đầu khí nhẹ H2, He được hình thành. T0 trái đất tăng dần xuất hiện các phân tử khí nặng hơn NH3, CH4, C0, 02. Khí quyển trái đất hình thành do quá trình sinh khí từ các chất rắn mà ngày nay còn thấy qua hoạt động của núi lửa. Các nhân tố khác dần dần xuất hiện, như C0, C02, H2S, C03 HC03... có xu hướng liên kết hợp với nhau tạo thành các phân tử mới,một số nguyên tố khác có xu hướng kết hợp với 02 tạo thành các liên kết có nhiệt độ sôi cao (Mg, Si, Al..) đi vào vũ trụ và tồn tại trên trái đất. Do trái đất được làm lạnh dần các liên kết 02 sẽ kết tinh, S sẽ biến đổi thành Sunphít, Si thành Silicat hoặc oxit Silic và đặc biệt các loại như Fe do quá trình nóng chảy sẽ kết hợp với 02 tạo thành các oxit Fe hoặc Fe nóng chảy do chuyển động có khối lượng riêng lớn xung quanh tâm điểm trái đất sẽ kết hợp các nguyên tố chủ yếu là các kim loại ít khả năng phản ứng tạo thành các hợp kim các oxit, sunphit tụ tập ở vòng ngoài, kết quả sau hàng triệu năm xuất hiện lớp chính của trái đất gồm có lớp vỏ cứng ,lớp vỏ ngoài và nhân trái đấtFe ở trong nhân trái đất gồm một phần lỏng và một phần rắn, vỏ ngoài trái đất gồm nhiều dạng khác nhau của các kim loại, hợp kim đá silicat như thạch anh, ôlium, amphybol, pyrosen... cấu trúc của chúng phát triển liên tục, tỉ trọng phát triển theo độ sâu. Lớp vỏ cứng của trái đất chiếm 1% khối lượng, có tỉ trọng nhỏ nhất cấu tạo đa dạng hơn nhân và vỏ ngoài.2. Sự phát triển của quặng.Quá trình phát triển của trái đất và quá trình kết tinh các hợp chất dẫn đến việc hình thành quặng, quặng là hỗn hợp các khoáng và kim loại mà người ta có thể sử dụng nó như những kim loại 1 cách tinh tế nhất. Do 3 nguyên nhân:Do sự phát triển T0, T0 làm nóng chảy các khoáng, nhiều kim loại bay hơi dẫn đến các quá trình thuỷ nhiệt. Do sự phát triển T0 từ nóng sang lạnh sẽ tác động tới các mạng tinh thể làm ảnh hưởng tới tính chất của nhiều hỗn hợp. Ví dụ : Trình tự hình thành hợp chất mớiCaC03 -> Ca0 + C02Fe0 + C02 -> FeC03- Do biến đổi thời tiết: vùng mưa nhiều thì trong nước chứa nhiều C02 ảnh hưởng lớn khả năng hoà tan các đá.Do nước mưa mà một loại các nhân tố dễ hoà tan trong nước tách ra khỏi đá. Phần còn lại là muối khó hoà tan sẽ được làm giàu lên trong đá dần dần trở thành các vỉa quặng.V. Sự tiến triển của hoá sinh trong môi trườngGiai đoạn 1: Chưa hình thành khí - thuỷ quyền song sự hoạt động của núi lửa là nguồn sinh ra các chất khí như C02, hơi H20, H2,. H2S... các khí này chuyển từ trong lòng đất lên bề mặt do quá trình lạnh dần của trái đất. Lúc đó Fe nóng chảy chưa tập trung hoàn toàn vào nhân trái đất nên các khí sinh ra tiếp xúc Fe và các Silicat tạo hợp chất. 02 được dùng phản ứng Fe nóng chảy và các chất có tính khử nên thành phần của 02 trong giai đoạn tiền khí quyển .C02 hoặc N02, tác dụng với H2 tạo CH4 và NH3 đồng thời hơi H20 xuất hiện. C02 + H2  CH4 + H20Hơi nước gặp lạnh ngưng tụ thành thuỷ quyển, Cùng lúc đó những tế bào đơn sinh cũng được sinh ra (Ví dụ: CH20, HCN...), kết hợp nhau thành đa sinh. Kết quả sẽ hình thành các phân tử phức tạp hơn như đường, các axits amin.Ví dụ: HCN đóng vai trò liên kết các phân tử hữu cơ thành phân tử có khối lượng lớn.* Giai đoạn 2:Các C02 tác dụng phản ứng đá kiềm của vỏ cứng trái đất tạo Cácbonát Caxi và Oxít silicCaSi03 + CO2 = CaC03 + Si02Các khí có trong thành phần tiền khí quyển tồn tại và dần dần phát triển .Thành phần H2 ít đi do tham gia các quá trình khử. N2 phát triển trở thành thành phần chính các phân tử 02 đầu tiên xuất hiện do quá trình phân ly H2 0 dưới tác dụng của tia mặt trời. H20  02 + 2H C02  02 + C Lượng O2 sinh ra lại bị hấp thụ hoặc sử dụng trong quá trình ôxy hoá, Fe. Cuối giai đoạn 2 nồng độ oxy trong khí quyền chiếm 0,1% V khí quyển. Bắt đầu xuất hiện mầm mống đầu tiên của sự sống. Là các tế bào nguyên sinh sử dụng O2 cho quá trình lên men là 1 biểu hiện của hoạt động sống. Các nguyên sinh đầu tiên nhận năng lượng mặt trời và phát triển thành protein, giải phóng O2hC02 + H2O  CH20 + 02diệp lụcKhi phân tử abumin đầu tiên xuất hiện thì đồng thời lượng 02 sinh ra do kết quả quá trình quang hợp cũng tăng lên. Các nguyên sinh phát triển trước hết trong đại dương va sau đó sự sống chuyển dịch dần lên mặt đất. Các oxit Fe được oxy hoá với khối lượng lớn, các sunphat được tạo nên từ suphit, các Fe203 được tạo thành từ Fe0.Fe0 + 02 -> Fe203Hàm lượng 02 trong khí quyển phát triển liên lục* Giai đoạn 3Cùng các thành phần vốn có trong khí quyển ở giai đoạn 2, 02 xuất hiện đóng vai trò vận chuyển emgim của các tế bào sinh học. Hàm lượng 02 rất lớn dưới tác dụng năng lượng mặt trời thành 0, nólại tác dụng với 02 dư tạo O3. 03 có khả năng hấp thụ các tia tử ngoại ngăn không cho xuống trái đất huỷ hoại sự sống. Khi lượng 03 sinh ra đủ lớn để tạo lớp tầng trên khí quyển, chính sự sống được bảo vệ. Dưới tác dụng tia mặt trời thấy được cung cấp nguồn năng lượng cho trái đất, giúp các phản ứng hoá học tiến hành sinh ra nhiều chất mới từ các chất cơ bản. Đồng thời các quá trình quang hợp có sử dụng năng lượng và các thành phần có trong khí quyển tạo điều kiện các sinh vật tiến hoá. Thế giới sinh học ngày nay là kết quả của sự tiến hoá kéo dài hơn 4 tỉ năm; từ 1 đơn nhân tử -> 1 phân tử -> phân tử sinh học -> hệ thống nguyên tố -> tế bào -> sinh vật và bản chất sống hình thành chính là hệ thống phân tử có khả năng tái sản xuất và phát sinh có chọn lọc về mặt nhiệt động là 1 dạng đặc biệt thực hiện qua các cân bằng. Quá trình phát triển sự sống qua 4 giai đoạn: phát triển hoá học, phát triển tiền sinh học , phát triển sinh học, phát triển xã hội.* Giai đoạn 3