Xem mẫu

  1. HÓA HỌC BIỂN Đoàn Bộ NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 2001 Từ khoá: Nồng độ, chỉ thị, đại dương, nước biển, nguyên tố, phân tử, đồng vị, hữu cơ, vô cơ, tỷ lệ, thành phần Tài liệu trong Thư viện điện tử Đại học Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. 0
  2. ĐOÀN BỘ HOÁ HỌC BIỂN Giáo trình dùng cho sinh viên ngành Hải dương học NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 1
  3. MỤC LỤC. LỜI GIỚI THIỆU.................................................................................................. 5 Chương 1. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC NƯỚC BIỂN......................................... 6 1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG THÀNH PHẦN HOÁ HỌC NƯỚC BIỂN............. 6 1.1.2 Những nét đặc thù thành phần hoá học nước biển............................... 9 1.1.3 Phân loại nước biển theo thành phần hoá học.................................... 12 1.1.4 Biểu diễn nồng độ các hợp phần hoá học trong nước biển ................ 13 1.2. CÁC NGUỒN ĐẦU TIÊN TẠO NÊN THÀNH PHẦN HOÁ HỌC NƯỚC BIỂN ................................................................................................... 18 1.2.1 Quá trình tiến triển của khí quyển hành tinh và nguồn gốc các anion trong nước biển............................................................................................ 19 1.2.2. Quá trình phong hoá đất đá và nguồn gốc cation trong nước biển ... 23 1.3 TƯƠNG TÁC HOÁ HỌC CỦA BIỂN..................................................... 26 1.3.1 Vai trò vòng tuần hoàn nước hành tinh đối với tương tác hoá học của biển .............................................................................................................. 27 1.3.2 Tương tác hoá học biển-khí quyển..................................................... 28 1.3.3 Tương tác hoá học biển-thạch quyển ................................................. 32 1.3.4 Tương tác hoá học biển-sinh quyển ................................................... 34 Chương 2. CÁC ION CHÍNH VÀ ĐỘ MUỐI NƯỚC BIỂN............................. 39 2.1 CÁC ION CHÍNH TRONG NƯỚC BIỂN ............................................... 39 2.1.1 Khái niệm chung ................................................................................ 39 2.1.2 Dạng tồn tại của các ion chính ........................................................... 39 2.1.3 Quy luật cơ bản của Hoá học biển ..................................................... 40 2.2 ĐỘ MUỐI VÀ ĐỘ CLO CỦA NƯỚC BIỂN .......................................... 42 2.2.1 Khái niệm độ muối và độ Clo ............................................................ 42 2.2.2 Quan hệ định lượng giữa độ Clo, độ muối và một số đặc trưng vật lý của nước biển .............................................................................................. 44 2.2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ muối nước biển ................................ 46 2.2.4 Phân bố và biến đổi độ muối trong đại dương ................................... 48 Chương 3. CÁC KHÍ HOÀ TAN TRONG NƯỚC BIỂN.................................. 56 3.1 QUY LUẬT CHUNG HOÀ TAN CÁC KHÍ TỪ KHÍ QUYỂN VÀO NƯỚC BIỂN ................................................................................................... 56 3.2 KHÍ ÔXY HOÀ TAN ............................................................................... 58 3.2.1 Các nguồn cung cấp và tiêu thụ Ôxy hoà tan trong biển ................... 59 3.2.2 Phân bố Ôxy hoà tan trong lớp nước mặt đại dương ......................... 61 3.2.3 Phân bố Ôxy theo độ sâu.................................................................... 62 3.2.4 Những biến đổi Ôxy hoà tan theo thời gian ....................................... 66 3.3 KHÍ CACBONÍC HOÀ TAN ................................................................... 68 3.4. KHÍ NITƠ HOÀ TAN ............................................................................. 71 3.5 KHÍ SUNFUHYDRO VÀ CÁC KHÍ KHÁC........................................... 72 2
  4. 3.5.1 Khí Sunfuhydro hoà tan ..................................................................... 72 3.5.2 Các khí khác ....................................................................................... 74 Chương 4. HỆ CACBONAT CỦA BIỂN........................................................... 76 4.1 ION HYDRO VÀ TRỊ SỐ PH CỦA NƯỚC BIỂN ................................. 76 4.1.1 Sự phân ly của nước và khái niệm về trị số pH ................................. 76 4.1.2 Ion Hydro trong nước biển và ý nghĩa của nó ................................... 78 4.1.3 Sự phân bố và biến đổi pH trong biển................................................ 83 4.2 ĐỘ KIỀM NƯỚC BIỂN ........................................................................... 87 4.2.1 Khái niệm độ kiềm nước biển và ý nghĩa của nó............................... 87 4.2.2 Độ kiềm chung của nước biển............................................................ 89 4.2.3. Độ kiềm Borac .................................................................................. 90 4.3 HỆ CACBONAT....................................................................................... 91 4.3.1 Giới thiệu chung................................................................................. 91 4.3.2. Quan hệ định lượng giữa các tiểu phần của hệ Cacbonat ................. 93 4.3.3 Khái quát về sự bão hoà cácbonat Canxi trong biển.......................... 97 Chương 5. CÁC HỢP CHẤT DINH DƯỠNG VÔ CƠ VÀ CÁC NGUYÊN TỐ VI LƯỢNG TRONG BIỂN .............................................................................. 100 5.1 CÁC HỢP CHẤT DINH DƯỠNG PHỐTPHO VÔ CƠ ........................ 100 5.1.1 Dạng tồn tại các hợp chất Phốtpho trong nước biển ........................ 100 5.1.2 Vai trò của các hợp chất dinh dưỡng Phốtpho vô cơ hoà tan trong nước biển ................................................................................................... 102 5.1.3 Các nguồn tiêu thụ và bổ sung Phốtpho vô cơ trong biển ............... 103 5.1.4 Phân bố Phốt phát trong biển ........................................................... 106 5.2 CÁC HỢP CHẤT DINH DƯỠNG NITƠ VÔ CƠ ................................. 111 5.2.1 Dạng tồn tại và ý nghĩa .................................................................... 111 5.2.2 Các nguồn tiêu thụ và bổ sung Nitơ vô cơ trong biển ..................... 112 5.2.3 Phân bố các hợp chất Nitơ vô cơ trong biển .................................... 115 5.3 CÁC HỢP CHẤT DINH DƯỠNG SILIC VÔ CƠ................................. 118 5.3.1 Ý nghĩa và dạng tồn tại trong nước biển của các hợp chất dinh dưỡng Silic vô cơ .................................................................................................. 118 5.3.2 Các nguồn của Silic vô cơ trong biển .............................................. 119 5.3.3 Phân bố Silic vô cơ trong biển ......................................................... 119 5.4 CÁC NGUYÊN TỐ VI LƯỢNG TRONG BIỂN................................... 121 5.4.1 Giới thiệu chung............................................................................... 121 5.4.2 Các nguyên tố vi lượng bền ............................................................. 123 5.4.3 Các nguyên tố vi lượng phóng xạ trong biển................................... 126 Chương 6. CÁC CHẤT HỮU CƠ TRONG BIỂN ........................................... 132 6.1 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CHẤT HỮU CƠ TRONG BIỂN .......... 132 6.1.1 Phân loại chất hữu cơ trong biển...................................................... 132 6.1.2 Dạng tồn tại và khối lượng chất hữu cơ trong biển ......................... 133 6.1.3 Thành phần cơ bản của chất hữu cơ trong biển ............................... 134 3
  5. 6.1.4 Qui luật phân bố chất hữu cơ trong biển.......................................... 136 6.2 TỔNG HỢP VÀ PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG BIỂN........... 137 6.2.1 Quá trình tổng hợp chất hữu cơ trong biển ...................................... 138 6.2.2 Quá trình phân giải chất hữu cơ trong biển...................................... 141 6.3. CHU TRÌNH VẬT CHẤT-CHẤT HỮU CƠ TRONG BIỂN ............... 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH ................................................................... 145 4
  6. LỜI GIỚI THIỆU G iáo trình HOÁ H Ọ C BI Ể N đ ượ c biên so ạ n đ ể p h ụ c v ụ c ông tác đ ào t ạ o sinh viên ngành H ả i d ươ ng h ọ c, Tr ườ ng Đ ạ i h ọ c Khoa h ọ c T ự n hiên, Đ ạ i h ọ c Qu ố c gia Hà N ộ i. N ộ i dung giáo trình bao g ồ m các ki ế n th ứ c c ơ b ả n v ề t hành ph ầ n hoá h ọ c n ướ c bi ể n, các quá trình thành t ạ o và bi ế n đ ổ i c ũ ng nh ư m ố i t ươ ng tác và trao đ ổ i c ủ a các h ợ p ph ầ n hoá h ọ c trong bi ể n d ướ i ả nh h ưở ng c ủ a các quá trình v ậ t lý, hoá h ọ c, sinh h ọ c h ả i d ươ ng... Trong khi biên so ạ n giáo trình, ngoài các ki ế n th ứ c c ơ s ở c ủ a hoá h ọ c h ả i d ươ ng và các d ẫ n ch ứ ng minh ho ạ đ ượ c t ậ p h ợ p t ừ n hi ề u ngu ồ n tài li ệ u khác nhau, tác gi ả đ ã c ố g ắ ng t ậ p h ợ p và c ậ p nh ậ t các t ư l i ệ u, s ố l i ệ u mà Hoá h ọ c bi ể n Vi ệ t Nam đ ạ t đ ượ c trong nh ữ ng n ă m g ầ n đ ây nh ằ m làm sáng t ỏ c ác v ấ n đ ề l ý thuy ế t đ ượ c đ ề c ậ p trong giáo trình. Đ i ề u đ ó hy v ọ ng có th ể g iúp sinh viên làm quen và hi ể u rõ h ơ n v ề c ác v ấ n đ ề c ó liên quan đ ế n hoá h ọ c vùng bi ể n nhi ệ t đ ớ i và bi ể n Vi ệ t Nam. Là tài li ệ u ph ụ c v ụ đ ào t ạ o khoa h ọ c bi ể n t ạ i Tr ườ ng Đ ạ i h ọ c Khoa h ọ c T ự n hiên, Đ HQG HN, song giáo trình này c ũ ng là tài li ệ u tham kh ả o t ố t đ ố i v ớ i công tác đ ào t ạ o trong các l ĩ nh v ự c Hoá h ọ c, Sinh h ọ c, Môi tr ườ ng... có liên quan đ ế n bi ể n, không ch ỉ ở Đ HQG HN mà còn ở n hi ề u tr ườ ng đ ạ i h ọ c, trung h ọ c chuyên nghi ệ p khác có đ ào t ạ o chuyên môn này. C ũ ng nh ư v ậ y, các cán b ộ đ ang làm công tác nghiên c ứ u bi ể n có th ể s ử d ụ ng giáo trình nh ư m ộ t tài li ệ u tham kh ả o khi g ặ p nh ữ ng v ấ n đ ề c ó liên quan. M ặ c dù đ ã c ố g ắ ng, song không th ể t ránh kh ỏ i nh ữ ng khi ế m khuy ế t trong n ộ i dung giáo trình. Tác gi ả m ong nh ậ n đ ượ c nh ữ ng góp ý c ủ a các đ ồ ng nghi ệ p và sinh viên đ ể k ị p th ờ i b ổ s ung s ử a ch ữ a. Các ý ki ế n xin g ử i v ề đ ị a ch ỉ : B ộ m ôn H ả i d ươ ng h ọ c, Khoa Khí t ượ ng Thu ỷ v ă n và H ả i d ươ ng h ọ c, Tr ườ ng Đ ạ i h ọ c Khoa h ọ c T ự n hiên, Đ ạ i h ọ c Qu ố c Gia Hà N ộ i. Tác giả 5
  7. C h ươ ng 1 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC NƯỚC BIỂN 1 .1 Đ Ặ C Đ I Ể M CHUNG THÀNH PH Ầ N HOÁ H Ọ C N ƯỚ C BI Ể N 1 .1.1 Các nguyên t ố h oá h ọ c t ồ n t ạ i trong n ướ c bi ể n N hìn m ộ t c ố c n ướ c bi ể n trong veo l ấ y ở n goài kh ơ i, t ưở ng ch ừ ng nh ư k hông có gì trong đ ó, nh ư ng th ự c ra b ằ ng m ắ t th ườ ng ta đ ã không th ấ y đ ượ c vô vàn các h ạ t v ậ t ch ấ t nh ỏ l i ti và nh ữ ng vi c ơ t h ể . Nhìn m ộ t c ố c n ướ c bi ể n l ấ y ở v ùng c ử a sông, ta th ấ y nó đ ụ c l ờ l ờ h o ặ c vàng nh ạ t và có th ể p hát hi ệ n b ằ ng m ắ t th ườ ng các ph ầ n t ử p hù sa l ơ l ử ng ho ặ c các ph ầ n t ử v ậ t ch ấ t khác. N ế m n ướ c bi ể n ở b ấ t c ứ v ùng nào, ta th ấ y có v ị m ặ n chát do trong nó có các mu ố i hoà tan nh ư N aCl, CaCO 3 , MgSO 4 ... Ta c ũ ng bi ế t n ướ c bi ể n mang tính ki ề m y ế u và là m ộ t dung d ị ch đ ệ m pH do có các axit y ế u và mu ố i c ủ a chúng, c ũ ng đ ã bi ế t đ ế n nhi ề u tính ch ấ t hoá lý c ủ a n ướ c bi ể n nh ư k h ả n ă ng truy ề n âm, truy ề n ánh sáng, đ ộ đ ụ c, đ ộ d ẫ n đ i ệ n, đ ộ ô xy hoá, đ ộ p hóng x ạ , tính ă n mòn... Hi ể n nhiên n ướ c bi ể n không ph ả i là n ướ c tinh khi ế t, c ũ ng không ph ả i là "n ướ c nh ạ t" nh ư n ướ c các sông, ngòi, h ồ , ao, c ũ ng không có m ầ u ho ặ c mùi nh ư n ướ c ở c ác đ ầ m l ầ y, h ầ m m ỏ , c ố ng th ả i... V ậ y trong n ướ c bi ể n có nh ữ ng nguyên t ố v à h ợ p ch ấ t gì, thành ph ầ n hoá h ọ c c ủ a n ướ c bi ể n nh ư t h ế n ào? Tr ả l ờ i câu h ỏ i này th ậ t không d ễ d àng! Đ ể c ó m ộ t khái ni ệ m đ ơ n gi ả n nh ấ t v ề t hành ph ầ n hoá h ọ c n ướ c bi ể n, chúng ta hãy xem m ộ t m ẫ u n ướ c bi ể n " đ i ể n hình" sau đ ây (theo R.A. Horne): n ặ ng 1000 gam, ch ứ a kho ả ng 19 gam Clo ở d ạ ng ion, 11 gam ion Natri, 1,3 gam ion Magiê, 0,9 gam L ư u hu ỳ nh (ch ủ y ế u ở d ạ ng ion Sunfat). Nói m ộ t cách khác, n ướ c bi ể n là dung d ị ch 0,5M NaCl, 0,05M MgSO 4 , m ộ t l ượ ng đ áng k ể k hí hoà tan, m ộ t l ượ ng nh ỏ c ác ch ấ t và h ỗ n h ợ p khác và d ấ u v ế t c ủ a nhi ề u nguyên t ố đ ã bi ế t trong t ự n hiên. Ngoài ra, trong n ướ c bi ể n còn có c ả c ác ph ầ n t ử l ơ l ử ng, đ ó là các h ạ t 6
  8. keo, khoáng, b ọ t khí, m ả nh v ụ n ch ấ t h ữ u c ơ c ủ a xác sinh v ậ t, các vi khu ẩ n và đ ộ ng th ự c v ậ t phù du... Cho đ ế n nay, b ằ ng các ph ươ ng pháp phân tích và thi ế t b ị đ o tiên ti ế n ng ườ i ta đ ã tìm th ấ y trong n ướ c bi ể n có kho ả ng 60 nguyên t ố h oá h ọ c t ồ n t ạ i ở n hi ề u d ạ ng khác nhau (b ả ng 1.1). Nhi ề u nguyên t ố t ồ n t ạ i trong n ướ c bi ể n v ớ i n ồ ng đ ộ l ớ n (g ọ i là các nguyên t ố đ ạ i l ượ ng), song có r ấ t nhi ề u nguyên t ố t ồ n t ạ i v ớ i n ồ ng đ ộ n h ỏ v à r ấ t nh ỏ ( nguyên t ố v i l ượ ng), th ậ m chí nh ỏ t ớ i m ứ c các thi ế t b ị h i ệ n đ ạ i nh ấ t c ũ ng khó xác đ ị nh đ ượ c n ồ ng đ ộ m à ch ỉ p hát hi ệ n đ ượ c s ự c ó m ặ t c ủ a chúng (nguyên t ố v ế t - trace). C ũ ng có nh ữ ng nguyên t ố n g ườ i ta ch ỉ c h ứ ng minh đ ượ c s ự t ồ n t ạ i c ủ a chúng trong n ướ c bi ể n, ho ặ c ch ỉ p hát hi ệ n ra chúng do đ ượ c tích lu ỹ t rong sinh v ậ t hay tr ầ m tích bi ể n. B ả ng 1.1: Các nguyên t ố h oá h ọ c có trong n ướ c bi ể n (theo Gondberg) STT Nguyên tố Nồng độ (mg/l) Dạng tồn tại chủ yếu 1 H 108 H2O 5.10-6 2 He Khí Li+ 3 Li 0,17 6.10-7 4 Be - B(OH)3, B(OH)4- 5 B 4,6 HCO3-, H2CO3, CO3-2, hợp chất hữu cơ 6 C 28 NO3-, NO2-, NH4+, khí, hợp chất hữu cơ 7 N 0,5 H2O, khí, SO4-2 và các anion khác 8 O 857 F- 9 F 1,3 1.10-4 10 Ne Khí Na+ 11 Na 10500 Mg+2, MgSO4 12 Mg 1350 13 Al 0,01 - Si(OH)4, Si(OH)3O- 14 Si 3 H2PO4-, HPO4-2, PO4-3, H3PO4 15 P 0,07 SO4-2 16 S 885 Cl- 17 Cl 19000 18 Ar 0,6 Khí K+ 19 K 380 Ca+2, CaSO4 20 Ca 400 4.10-5 21 Sc - 22 Ti 0,001 - VO2(OH)3-2 23 V 0,002 5.10-5 24 Cr - Mn+2, MnSO4 25 Mn 0,002 26 Fe 0,01 Fe(OH)3 5.10-4 Co+2, CoSO4 27 Co 7
  9. STT Nguyên tố Nồng độ (mg/l) Dạng tồn tại chủ yếu Ni+2, NiSO4 28 Ni 0,002 Cu+2, CuSO4 29 Cu 0,003 Zn+2, ZnSO4 30 Zn 0,01 3.10-5 31 Ga - 7.10-5 Ge(OH)4, Ge(OH)3O- 32 Ge HAsO4-2, H2AsO4-, H3AsO4, H3AsO3 33 As 0,003 SeO4-2 34 Se 0,004 Br- 35 Br 65 3.10-4 36 Kr Khí Rb+ 37 Rb 0,12 Sr+2, SrSO4 38 Sr 8 3.10-4 39 Y - 1.10-5 40 Nb - MoO4-2 41 Mo 0,01 IO3-, I- 42 I 0,06 Ba+2, BaSO4 43 Ba 0,03 1.10-4 WO4-2 44 W UO2(CO3)3-4 45 U 0,003 4.10-5 AgCl2-, AgCl3-2 46 Ag 11.10-5 Cd+2, CdSO4, CdCln-2n, Cd(OH)n-2n 47 Cd 48 Xe 0,0001 Khí 4.10-6 AuCl2- 49 Au 3.10-5 HgCl3-, HgCl4-2 50 Hg 3.10-5 Pb+2, PbSO4, PbCln-2n, Pb(OH)n-2n 51 Pb 0,6.10-15 52 Rn Khí 1.10-10 Ra+2, RaSO4 53 Ra 5.10-5 54 Th - 2.10-9 55 Pa - Và dấu vết của nhiều nguyên tố khác M ặ c dù m ộ t s ố n guyên t ố đ ượ c g ọ i là đ ạ i l ượ ng, song nguyên t ố c ó m ặ t nhi ề u nh ấ t trong n ướ c bi ể n là Clo c ũ ng ch ỉ đ ạ t n ồ ng đ ộ t rung bình 19 g/l, ti ế p đ ế n là Natri - 10,5 g/l và t ổ ng các ch ấ t khoáng r ắ n hoà tan trong n ướ c bi ể n c ũ ng ch ỉ đ ạ t kho ả ng 35 g/l. Tuy v ậ y, v ớ i th ể t ích n ướ c 1,37 t ỷ k m 3 , đ ạ i d ươ ng th ế g i ớ i đ ang ch ứ a trong lòng mình kh ố i l ượ ng v ậ t ch ấ t kh ổ ng l ồ , ch ỉ t ính riêng l ượ ng mu ố i khoáng c ũ ng vào kho ả ng 49 tri ệ u t ỷ t ấ n, ch ủ y ế u là các mu ố i Clorua, Sunfat, Cacbonat c ủ a Natri, Magie, Canxi. N ế u r ả i đ ề u l ượ ng mu ố i này trên b ề m ặ t l ụ c đ ị a s ẽ đ ượ c m ộ t l ớ p dày kho ả ng 150m! M ộ t tính toán gi ả đ ị nh khác cho th ấ y n ế u chia đ ề u s ố V àng (m ộ t nguyên t ố v i l ượ ng có n ồ ng đ ộ t rung bình 4.10 - 9 g /l) chi ế t đ ượ c t ừ t oàn b ộ n ướ c đ ạ i d ươ ng th ế g i ớ i cho s ố d ân Vi ệ t Nam thì m ỗ i ng ườ i s ẽ đ ượ c g ầ n 80kg. 8
  10. 1.1.2 Nh ữ ng nét đ ặ c thù thành ph ầ n hoá h ọ c n ướ c bi ể n B i ể n và đ ạ i d ươ ng có nh ữ ng đ ặ c đ i ể m riêng c ủ a mình mà các đ ố i t ượ ng n ướ c khác không có, đ ó là l ị ch s ử h ình thành và ti ế n tri ể n g ắ n li ề n v ớ i l ị ch s ử h ành tinh, kích th ướ c theo chi ề u ngang và th ẳ ng đ ứ ng r ấ t l ớ n, trao đ ổ i n ướ c r ấ t r ộ ng rãi v ớ i khí quy ể n, v ớ i đ ấ t li ề n và gi ữ a các vùng v ớ i nhau, các quá trình v ậ t lý, đ ộ ng l ự c, sinh-hoá h ọ c x ả y ra v ớ i m ọ i quy mô. Nh ữ ng đ ặ c tính ấ y đ ã làm cho thành ph ầ n hoá h ọ c n ướ c bi ể n r ấ t đ a d ạ ng, ph ứ c t ạ p và có nh ữ ng đ ặ c thù. Đ ó là Sự phong phú của thành phần hoá học nước biển N ướ c bi ể n có thành ph ầ n hoá h ọ c r ấ t phong phú. Có đ ượ c đ ặ c đ i ể m này là do bi ể n v ố n là vùng tr ũ ng nh ấ t c ủ a hành tinh, n ơ i t ậ p trung n ướ c có thành ph ầ n hoá h ọ c r ấ t đ a d ạ ng t ừ m ọ i mi ề n trên b ề m ặ t trái đ ấ t. Bi ể n c ũ ng là n ơ i t ậ p trung n ướ c ng ầ m ở m ọ i đ ộ s âu có thành ph ầ n hoá h ọ c r ấ t khác nhau. Bi ể n còn là n ơ i có m ặ t thoáng r ộ ng l ớ n, m ặ t thoáng đ ó l ạ i l uôn luôn "th ở " (do sóng, gió và xáo tr ộ n) nên trao đ ổ i khí v ớ i khí quy ể n r ấ t t ố t. Chính vì v ậ y, cùng v ớ i quá trình phát tri ể n c ủ a l ị ch s ử t rái đ ấ t, có th ể t in ch ắ c r ằ ng đ ạ i d ươ ng đ ã tích lu ỹ đ ượ c h ầ u h ế t các nguyên t ố h oá h ọ c đ ã bi ế t trong t ự n hiên. Tuy nhiên, v ớ i k ỹ t hu ậ t hi ệ n nay con ng ườ i m ớ i ch ỉ x ác đ ị nh đ ượ c s ự c ó m ặ t trong n ướ c bi ể n c ủ a kho ả ng 60 nguyên t ố h oá h ọ c n ằ m ở n hi ề u d ạ ng khác nhau nh ư đ ã ch ỉ r a ở b ả ng 1.1. Dạng tồn tại của các nguyên tố trong nước biển T rong n ướ c bi ể n, m ộ t nguyên t ố c ó th ể t ồ n t ạ i ở n hi ề u d ạ ng khác nhau nh ư p hân t ử t ự d o, ion, h ợ p ch ấ t... và có th ể ở c ác tr ạ ng thái hoà tan hay l ơ l ử ng, có th ể c ó trong thành ph ầ n c ủ a ch ấ t h ữ u c ơ , keo, khoáng, ch ấ t s ố ng... Ví d ụ , Nit ơ t ồ n t ạ i trong n ướ c bi ể n ở d ạ ng phân t ử t ự d o N 2 ( khí Nit ơ h oà tan), NH 3 , các ion NH 4 + , NO 2 - , NO 3 - , các ch ấ t h ữ u c ơ v à keo khoáng; Ph ố t pho t ồ n t ạ i ở c ác d ạ ng P 2 O 5 , H 3 PO 4 , H 2 PO 4 - ... và các ch ấ t h ữ u c ơ , keo khoáng; Ôxy t ồ n t ạ i ở c ác d ạ ng phân t ử ( O 2 ), các h ợ p ch ấ t khí (CO 2 ), các h ợ p ch ấ t vô c ơ v à h ữ u c ơ ... V ớ i các d ạ ng t ồ n t ạ i khác nhau, các nguyên t ố c ó trong n ướ c bi ể n có th ể g ây nên nh ữ ng tính ch ấ t hoá, lý, sinh h ọ c khác nhau. Ví d ụ , khi ở d ạ ng khí hoà tan, Nit ơ h ầ u nh ư k hông tham gia vào các ph ả n ứ ng sinh hoá h ọ c nào và nó đ ượ c coi nh ư m ộ t khí tr ơ t rong bi ể n, song khi t ồ n t ạ i 9
  11. ở d ạ ng ion NH 4 + , NO 2 - , NO 3 - n ó l ạ i là m ộ t trong nh ữ ng nguyên t ố t hi ế t y ế u cho s ự s ố ng, có m ặ t trong ph ả n ứ ng quang h ợ p và tham gia vào chu trình chuy ể n hoá v ậ t ch ấ t trong bi ể n. Tỷ lệ định lượng giữa các hợp phần T rong bi ể n, do có nhi ề u quá trình chi ph ố i nên n ồ ng đ ộ c ủ a các nguyên t ố v à các h ợ p ph ầ n hoá h ọ c r ấ t d ễ b ị b i ế n đ ổ i theo không gian và th ờ i gian. Tuy nhiên, có m ộ t s ố h ợ p ph ầ n m ặ c dù n ồ ng đ ộ b ị b i ế n đ ổ i song t ỷ l ệ g i ữ a chúng l ạ i khá ổ n đ ị nh. C ụ t h ể , t ỷ l ệ n ồ ng đ ộ c ủ a các ion chính v ớ i nhau nh ư [ Na + ]/[Cl - ], [Ca + 2 ]/[SO 4 - 2 ] hay [Mg + 2 ]/[K + ]... là b ấ t bi ế n ở m ọ i khu v ự c bi ể n kh ơ i trên th ế g i ớ i. Ng ượ c l ạ i, ở c ác vùng bi ể n ven b ờ , c ử a sông, v ũ ng v ị nh... t ỷ l ệ n ồ ng đ ộ g i ữ a các ion chính l ạ i là đ ạ i l ượ ng r ấ t bi ế n đ ổ i. Đ ố i v ớ i t ấ t c ả c ác nguyên t ố c òn l ạ i không thu ộ c nhóm ion chính, t ỷ l ệ n ồ ng đ ộ g i ữ a chúng là đ ạ i l ượ ng luôn bi ế n đ ộ ng và r ấ t khác nhau ở c ác vùng bi ể n khác nhau. Quy luật biến đổi của các hợp phần T hành ph ầ n hoá h ọ c n ướ c bi ể n còn ph ứ c t ạ p ở c h ỗ n ó không bao gi ờ n ằ m ở t r ạ ng thái b ấ t đ ộ ng mà luôn luôn bi ế n đ ổ i, đ ế n m ứ c có th ể l àm thay đ ổ i hoàn toàn các ch ỉ t iêu đ ị nh l ượ ng, đ ị nh tính c ũ ng nh ư d ạ ng t ồ n t ạ i c ủ a các nguyên t ố v à h ợ p ph ầ n. H ợ p ph ầ n đ ượ c xem là ổ n đ ị nh nh ấ t c ủ a n ướ c bi ể n là đ ộ m u ố i c ũ ng có nh ữ ng bi ế n đ ổ i khác nhau ở c ác khu v ự c đ ị a lý khác nhau. Có 3 quá trình c ơ b ả n làm bi ế n đ ổ i n ồ ng đ ộ c ác h ợ p ph ầ n là: Th ứ n h ấ t: Nh ữ ng ch ấ t và nh ữ ng h ợ p ph ầ n tham gia vào các quá trình sinh h ọ c ch ị u s ự b i ế n đ ổ i m ạ nh m ẽ n h ấ t, ch ủ y ế u là bi ế n đ ổ i v ề l ượ ng và t ấ t nhiên ở m ỗ i vùng khác nhau, trong các th ờ i k ỳ k hác nhau chúng bi ế n đ ổ i không nh ư n hau. Có th ể l ấ y các h ợ p ch ấ t vô c ơ c ủ a Nit ơ , Ph ố tpho, Silic làm ví d ụ : do đ ượ c th ự c v ậ t s ử d ụ ng trong quang h ợ p nên n ồ ng đ ộ c ác h ợ p ph ầ n này ch ị u s ự b i ế n đ ổ i m ạ nh m ẽ , có th ể d i ễ n ra t ừ ng gi ờ m ộ t. Đ ặ c bi ệ t, ở n h ữ ng vùng bi ể n có các đ i ề u ki ệ n thu ậ n l ợ i cho quang h ợ p, vào th ờ i k ỳ t h ự c v ậ t phát tri ể n m ạ nh n ồ ng đ ộ c ác ch ấ t dinh d ưỡ ng Nit ơ , Ph ố tpho có th ể g i ả m đ ế n 0. Sau th ờ i k ỳ p hát tri ể n là th ờ i k ỳ t àn l ụ i do ngu ồ n dinh d ưỡ ng b ị c ạ n ki ệ t, th ự c v ậ t ch ế t đ i và xác c ủ a chúng d ầ n b ị p hân hu ỷ t r ả l ạ i các nguyên t ố v ô c ơ c ho môi tr ườ ng. Do liên quan đ ế n ho ạ t đ ộ ng c ủ a sinh v ậ t mà s ự b i ế n đ ộ ng c ủ a các h ợ p ph ầ n 10
  12. này th ườ ng có chu k ỳ s inh h ọ c, trong đ ó chu k ỳ n gày và chu k ỳ m ùa th ể h i ệ n rõ nh ấ t. Th ứ h ai: T ươ ng tác hoá h ọ c gi ữ a các h ợ p ph ầ n trong n ướ c bi ể n di ễ n ra ch ậ m h ơ n nh ư ng l ạ i làm bi ế n đ ổ i không nh ữ ng v ề l ượ ng c ủ a các h ợ p ph ầ n mà còn bi ế n đ ổ i c ả d ạ ng t ồ n t ạ i c ủ a chúng. Ví d ụ , quá trình đ ạ m hoá (Nitrification) trong bi ể n đ ã chuy ể n ph ầ n l ớ n các ion Nitrit v ề N itrat (2NO 2 - + O 2 → 2 NO 3 - ); ho ặ c quá trình ôxy hoá khí Sunfuhydro đ ã chuy ể n L ư u hu ỳ nh sang d ạ ng t ồ n t ạ i khác (H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4 → S O 4 - 2 + 2 H + ). Th ứ b a: Nh ữ ng quá trình v ậ t lý x ả y ra trong bi ể n nh ư b ào mòn đ ấ t đ á ở đ áy và b ờ , tan và t ạ o b ă ng, m ư a, b ố c h ơ i, các dòng ch ả y, chuy ể n đ ộ ng đ ố i l ư u, dao đ ộ ng thu ỷ t ri ề u... đ ề u có th ể t r ự c ti ế p ho ặ c gián ti ế p làm bi ế n đ ổ i nh ữ ng ch ỉ t iêu đ ị nh l ượ ng c ủ a các h ợ p ph ầ n. Ví d ụ , n ướ c tr ồ i mùa hè ở v ùng bi ể n ven b ờ n am Trung b ộ n ướ c ta đ ã v ậ n chuy ể n các kh ố i n ướ c t ừ l ớ p sâu có nhi ệ t đ ộ t h ấ p, đ ộ m u ố i cao, gi ầ u có dinh d ưỡ ng lên l ớ p m ặ t nhi ề u ánh sáng, t ạ o nên m ộ t vùng sinh thái bi ể n trù phú. Ngoài 3 quá trình c ơ b ả n k ể t rên, có th ể c ó thêm m ộ t vài quá trình trong bi ể n làm bi ế n đ ổ i n ồ ng đ ộ c ác h ợ p ph ầ n nh ư h i ệ n t ượ ng h ấ p ph ụ h o ặ c trao đ ổ i ion c ủ a các ph ầ n t ử l ơ l ử ng, hi ệ n t ượ ng k ế t t ủ a mu ố i trong nh ữ ng đ i ề u ki ệ n nh ấ t đ ị nh (ch ủ y ế u là mu ố i Cacbonat)... Nh ữ ng n ă m g ầ n đ ây, thành ph ầ n hoá h ọ c n ướ c bi ể n còn ph ứ c t ạ p thêm do tác đ ộ ng c ủ a con ng ườ i. Đ ặ c bi ệ t, các ho ạ t đ ộ ng công nghi ệ p nh ư k hai thác và ch ế b i ế n d ầ u, l ượ ng d ầ u th ả i ra t ừ c ác ho ạ t đ ộ ng giao thông, hàng h ả i... đ ã tr ự c ti ế p đ ư a vào bi ể n nh ữ ng cacbua hydro b ề n v ữ ng r ấ t có h ạ i đ ố i v ớ i đ ờ i s ố ng và c ả nh quan vùng bi ể n. C ũ ng nh ư v ậ y, các ho ạ t đ ộ ng công nghi ệ p nh ư c h ế b i ế n thu ỷ h ả i s ả n, s ả n xu ấ t thu ố c tr ừ s âu và vi ệ c s ử d ụ ng thu ố c tr ừ s âu trong nông nghi ệ p... c ũ ng đ ã đ ư a vào bi ể n nh ữ ng ch ấ t gây ô nhi ễ m mà v ỗ n d ĩ n ướ c bi ể n không có ho ặ c có ở m ứ c t ự n hiên. Nhi ề u ch ấ t đ ộ c h ạ i khác (nh ư C u, Pb, Zn, Cd, Hg... ho ặ c các ch ấ t phóng x ạ t ừ c ác v ụ t h ử v ũ k hí h ạ t nhân) c ũ ng đ ượ c con ng ườ i đ ư a vào bi ể n m ộ t cách vô ý th ứ c (ho ặ c có ý th ứ c) đ ã gây nh ữ ng h ậ u qu ả n ghiêm tr ọ ng và lâu dài cho đ ờ i s ố ng sinh v ậ t bi ể n và cho chính con ng ườ i khi s ử d ụ ng nh ữ ng s ả n ph ẩ m này. 11
  13. 1.1.3 Phân lo ạ i n ướ c bi ể n theo thành ph ầ n hoá h ọ c T rên c ơ s ở c ác đ ặ c đ i ể m v ề d ạ ng t ồ n t ạ i, đ ị nh l ượ ng, ý ngh ĩ a sinh- hoá h ọ c c ủ a các h ợ p ph ầ n có trong n ướ c bi ể n, thành ph ầ n hoá h ọ c n ướ c bi ể n đ ượ c chia thành 5 nhóm sau đ ây: Nhóm 1: Các ion và phân t ử c hính, bao g ồ m 11 ion và phân t ử l à: Cl - , SO 4 - 2 , (HCO 3 - + C O 3 - 2 ), Br - , H 3 BO 3 , F - , Na + , K + , Mg + 2 , Ca + 2 , Sr + 2 . Nhóm 2: Các khí hoà tan: O 2 , CO 2 , N 2 , H 2 S, CH 4 ... Nhóm 3: Các h ợ p ch ấ t dinh d ưỡ ng, bao g ồ m ch ủ y ế u là h ợ p ch ấ t vô c ơ c ủ a Nit ơ , Phôtpho, Silic. Nhóm 4: Các nguyên t ố v i l ượ ng g ồ m t ấ t c ả c ác nguyên t ố v à h ợ p ch ấ t khác không có trong ba nhóm k ể t rên. Nhóm 5: Các ch ấ t h ữ u c ơ . C ả n ă m nhóm h ợ p ph ầ n này khi t ồ n t ạ i trong n ướ c bi ể n đ ã xác đ ị nh nhi ề u tính ch ấ t hoá lý quan tr ọ ng c ủ a n ướ c, ví d ụ t ính d ẫ n đ i ệ n, kh ả n ă ng lan truy ề n ánh sáng, truy ề n âm, tính ă n mòn, tính ki ề m... Đ ể b i ể u th ị đ ị nh l ượ ng c ũ ng nh ư đ ị nh tính các tính ch ấ t hoá lý c ủ a n ướ c bi ể n, ng ườ i ta đ ã có nh ữ ng quy ư ớ c v ề " m ứ c đ ộ " nh ữ ng tính ch ấ t này, nh ư đ ộ m u ố i, đ ộ c ứ ng, đ ộ k i ề m, pH, đ ộ ă n mòn, đ ộ ô xy hoá, đ ộ p hóng x ạ , đ ộ đ ụ c... Đ ạ i đ a s ố c ác tính ch ấ t hoá-lý c ủ a n ướ c bi ể n đ ượ c t ạ o nên t ừ n hi ề u h ợ p ph ầ n hoà tan nh ư đ ộ m u ố i, đ ộ c ứ ng, đ ộ ă n mòn v.v..., song c ũ ng có nh ữ ng tính ch ấ t ch ỉ l iên quan đ ế n m ộ t ho ặ c m ộ t vài h ợ p ph ầ n nh ư đ ộ p hóng x ạ , đ ộ ô xy hoá, đ ộ đ ụ c... C ả n ă m nhóm h ợ p ph ầ n k ể t rên khi t ồ n t ạ i trong n ướ c bi ể n v ớ i nh ữ ng l ượ ng khác nhau đ ã gây nên nh ữ ng ả nh h ưở ng không nh ư n hau đ ế n nhi ề u quá trình v ậ t lý, đ ộ ng l ự c, sinh hoá x ả y ra trong môi tr ườ ng bi ể n. Ví d ụ , nhi ề u quá trình đ ộ ng l ự c bi ể n nh ư x áo tr ộ n th ẳ ng đ ứ ng, c ấ u trúc kh ố i n ướ c, đ ặ c đ i ể m dòng ch ả y... có liên quan tr ự c ti ế p t ớ i m ậ t đ ộ n ướ c bi ể n, m ộ t đ ặ c tr ư ng v ậ t lý c ơ b ả n ph ụ t hu ộ c vào nhi ệ t đ ộ v à đ ộ m u ố i, ngh ĩ a là liên quan đ ế n n ồ ng đ ộ c ủ a nhóm các ion chính; ho ặ c c ườ ng đ ộ q uá trình s ả n xu ấ t s ơ c ấ p c ủ a th ự c v ậ t s ố ng trong các t ầ ng n ướ c ph ụ t hu ộ c ch ặ t ch ẽ v ào n ồ ng đ ộ c ác nguyên t ố d inh d ưỡ ng vô c ơ P h ố tpho, Nit ơ , Silic... 12
  14. Cách phân lo ạ i n ướ c bi ể n nh ư t rên có ư u đ i ể m là đ ã chú ý đ ế n h ầ u h ế t các đ ặ c đ i ể m quan tr ọ ng t ồ n t ạ i các h ợ p ph ầ n hoá h ọ c trong n ướ c bi ể n nh ư n ồ ng đ ộ , d ạ ng t ồ n t ạ i, ý ngh ĩ a v ậ t lý, sinh h ọ c, hoá h ọ c. Tuy nhiên cách phân lo ạ i này còn mang tính quy u ớ c, th ể h i ệ n ở c h ỗ : Th ứ n h ấ t: không phân bi ệ t đ ượ c "ranh gi ớ i" gi ữ a các nhóm h ợ p ph ầ n và c ũ ng không phân bi ệ t đ ượ c ý ngh ĩ a sinh hoá h ọ c c ủ a m ộ t s ố n guyên t ố , h ợ p ch ấ t ở m ộ t s ố n hóm. Ví d ụ , các nguyên t ố ở n hóm dinh d ưỡ ng c ũ ng có n ồ ng đ ộ r ấ t nh ỏ , th ậ m chí còn nh ỏ h ơ n m ộ t s ố n guyên r ố v i l ượ ng; ho ặ c m ộ t s ố n guyên t ố t hu ộ c nhóm ion chính (nh ư C anxi), nhóm khí hoà tan (nh ư C O 2 , O 2 ) c ũ ng r ấ t c ầ n cho s ự s ố ng. Th ứ h ai: đ ã không x ế p ion Hydro (H + ) vào m ộ t nhóm nào. M ặ c dù n ồ ng đ ộ i on Hydro trong n ướ c bi ể n r ấ t nh ỏ ( kho ả ng 10 - 7 , 6 ÷ 10 - 8 , 4 i on- gam/l), song nó r ấ t có ý ngh ĩ a đ ố i v ớ i nhi ề u quá trình hoá h ọ c, sinh h ọ c x ả y ra trong trong môi tr ườ ng n ướ c bi ể n. Th ự c ch ấ t v ớ i n ồ ng đ ộ i on Hydro nh ư t rên, môi tr ườ ng n ướ c bi ể n mang đ ặ c tr ư ng ki ề m y ế u và nhi ề u quá trình sinh hoá h ọ c x ả y ra trong môi tr ườ ng này r ấ t "nh ạ y c ả m" đ ố i v ớ i s ự b i ế n đ ổ i c ủ a n ồ ng đ ộ i on Hydro. Th ứ b a: Cách phân lo ạ i trên ch ỉ c hú ý t ớ i các h ợ p ph ầ n hoà tan mà không k ể t ớ i h ợ p ph ầ n v ậ t ch ấ t l ơ l ử ng. Trong n ướ c bi ể n, các ph ầ n t ử l ơ l ử ng ( đườ ng kính l ớ n h ơ n 10 - 5 c m) có th ể l à các h ạ t keo, khoáng vô c ơ , h ữ u c ơ , các m ả nh v ụ n c ủ a xác sinh v ậ t, các h ạ t phù sa, các b ọ t khí, b ụ i v ũ t r ụ ... Khi t ồ n t ạ i trong n ướ c bi ể n, h ợ p ph ầ n này có ả nh h ưở ng tr ự c ti ế p t ớ i m ộ t s ố đ ặ c tr ư ng hoá, lý, sinh h ọ c c ủ a n ướ c bi ể n nh ư k h ả n ă ng lan truy ề n ánh sáng, truy ề n âm, đ ộ đ ụ c, đ ộ ô xy hoá, m ầ u n ướ c... 1 .1.4 Bi ể u di ễ n n ồ ng đ ộ c ác h ợ p ph ầ n hoá h ọ c trong n ướ c bi ể n K hi phân tích m ẫ u n ướ c bi ể n đ ể x ác đ ị nh các h ợ p ph ầ n hoá h ọ c hoà tan trong nó, k ế t qu ả p hân tích ph ả i đ ượ c bi ể u di ễ n b ằ ng n ồ ng đ ộ . Hai cách bi ể u di ễ n n ồ ng đ ộ c h ấ t tan trong n ướ c bi ể n th ườ ng đ ượ c s ử d ụ ng là n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i và n ồ ng đ ộ t ươ ng đ ố i. N ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i: Đ ó là l ượ ng th ự c có c ủ a ch ấ t tan trong m ộ t đ ơ n v ị t h ể t ích (th ườ ng là 1 lít ho ặ c 1m 3 ) ho ặ c m ộ t đ ơ n v ị t r ọ ng l ượ ng (th ườ ng là 1kg) n ướ c bi ể n. L ượ ng th ự c có c ủ a ch ấ t tan có th ể t ính b ằ ng 13
  15. gam, phân t ử g am... ( đố i v ớ i ch ấ t r ắ n, ch ấ t khí, ion) ho ặ c mililit ( đố i v ớ i ch ấ t khí). N ồ ng đ ộ t ươ ng đ ố i: Ở đ i ề u ki ệ n c ụ t h ể ( nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i và áp su ấ t cho tr ướ c), m ộ t đ ơ n v ị t h ể t ích ho ặ c tr ọ ng l ượ ng n ướ c bi ể n ch ỉ c ó th ể h oà tan đ ượ c m ộ t l ượ ng ch ấ t tan nh ấ t đ ị nh. N ồ ng đ ộ c h ấ t tan ở t r ạ ng t hái hoà tan t ố i đ a nh ư v ậ y g ọ i là n ồ ng đ ộ b ão hoà. Ng ườ i ta đ ã đ o và tính toán đ ượ c n ồ ng đ ộ b ão hoà c ủ a nhi ề u ch ấ t tan trong n ướ c bi ể n t ạ i các đ i ề u ki ệ n nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i khác nhau. Trên th ự c t ế , do nhi ề u đ i ề u ki ệ n t ự n hiên chi ph ố i nên m ộ t đ ơ n v ị t h ể t ích ho ặ c tr ọ ng l ượ ng n ướ c bi ể n v ẫ n có th ể c h ứ a nhi ề u h ơ n (quá bão hoà) hay ít h ơ n (ch ư a bão hoà) l ượ ng ch ấ t tan t ớ i h ạ n k ể t rên. N ồ ng đ ộ t ươ ng đ ố i c ủ a ch ấ t tan trong n ướ c bi ể n là t ỷ s ố t ính b ằ ng ph ầ n tr ă m gi ữ a l ượ ng th ự c có (n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i) và l ượ ng có th ể c ó (n ồ ng đ ộ b ão hoà) trong cùng m ộ t đ ơ n v ị t h ể t ích (ho ặ c tr ọ ng l ượ ng) n ướ c bi ể n và ở c ùng m ộ t đ i ề u ki ệ n (nhi ệ t đ ộ , đ ộ m u ố i). Trong Hoá h ọ c bi ể n, n ồ ng đ ộ t ươ ng đ ố i th ườ ng đ ượ c s ử d ụ ng đ ố i v ớ i các khí hoà tan và m ộ t vài h ợ p ph ầ n nh ư C aCO 3 , HCO 3 - , CO 3 - 2 . .. Lý do là các h ợ p ph ầ n này t ồ n t ạ i trong n ướ c bi ể n v ớ i n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i có th ể g ầ n b ằ ng ho ặ c v ượ t h ơ n c ả n ồ ng đ ộ b ão hoà. Nh ữ ng h ợ p ph ầ n khác c ũ ng có n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i bi ế n đ ổ i khá r ộ ng song còn r ấ t xa n ồ ng đ ộ b ão hoà nên s ử d ụ ng n ồ ng đ ộ t ươ ng đ ố i cho chúng ít có ý ngh ĩ a. Chúng ta s ẽ d ừ ng l ạ i k ỹ h ơ n ở c ách bi ể u di ễ n n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i b ở i vì k ế t qu ả p hân tích m ẫ u n ướ c bi ể n đ ể x ác đ ị nh các h ợ p ph ầ n hoá h ọ c hoà tan trong nó bao gi ờ c ũ ng đ ượ c bi ể u di ễ n đ ị nh l ượ ng b ằ ng n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i. N ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i đ ượ c c ấ u thành t ừ b a y ế u t ố : th ứ n guyên, d ạ ng h ợ p ch ấ t hay nguyên t ố v à d ạ ng bi ể u di ễ n n ồ ng đ ộ . Ví d ụ : nói n ồ ng đ ộ N itrat là 0,113 mgN-NO 3 - /l ngh ĩ a là: đ ây là n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i có th ứ n guyên mg/l c ủ a ion Nitrat, đ ượ c bi ể u di ễ n qua nguyên t ố N it ơ b ằ ng d ạ ng tr ọ ng l ượ ng. N ế u thay đ ổ i m ộ t trong ba c ấ u thành k ể t rên, giá tr ị n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i s ẽ t hay đ ổ i. Ch ẳ ng h ạ n, c ũ ng v ớ i n ồ ng đ ộ c ủ a Nitrat nh ư t rên nh ư ng n ế u bi ể u di ễ n qua g ố c NO 3 t hì giá tr ị n ồ ng đ ộ s ẽ l à 0,5 mgNO 3 /l. Ta s ẽ x ét l ầ n l ượ t t ừ ng y ế u t ố c ấ u thành n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i. Thứ nguyên của nồng độ 14
  16. Th ứ n guyên n ồ ng đ ộ đ ượ c s ử d ụ ng khác nhau cho các h ợ p ph ầ n hoá h ọ c khác nhau hoà tan trong n ướ c bi ể n. S ự b i ể u di ễ n khác nhau này m ộ t m ặ t do kho ả ng bi ế n đ ổ i n ồ ng đ ộ c ác ch ấ t tan trong n ướ c bi ể n r ấ t r ộ ng (trong kho ả ng 10 b ậ c), m ặ t khác do l ị ch s ử đ ể l ạ i. Trong Hoá h ọ c bi ể n, đ ã s ử d ụ ng các th ứ n guyên sau đ ây cho t ừ ng nhóm h ợ p ph ầ n hoá h ọ c: Các ion chính: Th ứ n guyên đ ể b i ể u di ễ n n ồ ng đ ộ c ác ion chính trong n ướ c bi ể n là g-ion/kg (ho ặ c g-ion/l) và các ư ớ c s ố c ủ a nó (mg- ion/l, μ g-ion/l...). Riêng đ ố i v ớ i đ ộ m u ố i và đ ộ C lo c ủ a n ướ c bi ể n, th ứ n guyên g/kg còn đ ượ c ký hi ệ u là % o h o ặ c ppt (ph ầ n nghìn). C ầ n ph ả i hi ể u % o h ay ppt không ph ả i là th ứ n guyên mà ch ỉ l à ký hi ệ u c ủ a th ứ n guyên g/kg. Các khí hoà tan: S ử d ụ ng th ứ n guyên n ồ ng đ ộ l à ml/l ho ặ c mg/l. Trong m ộ t s ố n ghiên c ứ u chuyên môn còn s ử d ụ ng th ứ n guyên n ồ ng đ ộ c ác khí hoà tan là mol/l và các ư ớ c s ố c ủ a nó. Các h ợ p ch ấ t dinh d ưỡ ng và các nguyên t ố v i l ượ ng: S ử d ụ ng th ứ n guyên n ồ ng đ ộ l à mg/m 3 h o ặ c μ g/l (1 μ g = 10 - 6 g ). C ũ ng có th ể s ử d ụ ng th ứ n guyên mol/l và các ư ớ c s ố c ủ a nó đ ố i v ớ i h ợ p ph ầ n này nh ư m mol/l, μ mol/l. Khi n ồ ng đ ộ c ác nguyên t ố v i l ượ ng r ấ t nh ỏ t hì v ẫ n dùng th ứ n guyên k ể t rên nh ư ng kèm theo lu ỹ t h ừ a âm c ủ a 10, ví d ụ n ồ ng đ ộ c ủ a Chì trong n ướ c bi ể n là 3.10 - 5 m gPb/l. Các ch ấ t h ữ u c ơ : Quy đ ổ i sang l ượ ng Cacbon có trong ch ấ t h ữ u c ơ h o ặ c đ ộ ô xy hoá và s ử d ụ ng các th ứ n guyên nh ư đ ã nêu, ví d ụ 2 5 mgC/m 3 . Vi ệ c quy đ ổ i l ượ ng ch ấ t h ữ u c ơ s ang l ượ ng Cacbon có th ể s ử d ụ ng t ỷ l ệ l à Cacbon chi ế m 6% tr ọ ng l ượ ng ch ấ t t ươ i ho ặ c 41% tr ọ ng l ượ ng ch ấ t khô. Đ ộ ô xy hoá hay còn g ọ i là nhu c ầ u ôxy hoá h ọ c (Chemical Oxygen Demand - COD) chính là l ượ ng ôxy c ầ n thi ế t đ ể ô xy hoá h ế t các ch ấ t h ữ u c ơ c ó trong m ộ t lít n ướ c bi ể n. Dạng hợp chất để biểu diễn nồng độ D ạ ng h ợ p ch ấ t có ý ngh ĩ a quan tr ọ ng trong vi ệ c bi ể u di ễ n n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i. D ạ ng h ợ p ch ấ t s ử d ụ ng đ ể b i ể u di ễ n k ế t qu ả p hân tích s ẽ c h ỉ p h ả n ánh n ồ ng đ ộ c ủ a m ộ t thành ph ầ n nào đ ó trong h ợ p ch ấ t ấ y. Không th ể n ói "n ồ ng đ ộ N itrat là 0,32 mg/l" mà không có ch ỉ d ẫ n rõ h ợ p ch ấ t hay nguyên t ố đ ượ c s ử d ụ ng đ ể b i ể u di ễ n k ế t q ủ a này. Ngày nay ng ườ i ta 15
  17. đ ã th ố ng nh ấ t là đ ể b i ể u di ễ n n ồ ng đ ộ m ộ t thành ph ầ n hoá h ọ c nào đ ó trong n ướ c bi ể n c ầ n ph ả i bi ể u di ễ n qua m ộ t d ạ ng h ợ p ch ấ t, ho ặ c ion, ho ặ c nguyên t ố đ ượ c chú ý trong thành ph ầ n ấ y. Ví d ụ : các Ph ố tphat đ ượ c bi ể u di ễ n qua PO 4 - 3 ( nhân t ố đ ượ c chú ý là ion PO 4 - 3 ) , ho ặ c bi ể u di ễ n qua nguyên t ố P c ó trong PO 4 - 3 ( nhân t ố đ ượ c chú ý là nguyên t ố P ). Tr ườ ng h ợ p bi ể u di ễ n qua PO 4 - 3 ( ví d ụ 9 ,89 mgPO 4 - 3 /m 3 ) thì n ồ ng đ ộ P h ố tphat th ự c ch ấ t là t ổ ng kh ố i l ượ ng c ủ a g ố c PO 4 c ó trong t ấ t c ả c ác d ạ ng t ồ n t ạ i c ủ a Ph ố tphat (g ồ m H 3 PO 4 , H 2 PO 4 - , HPO 4 - 2 v à PO 4 - 3 ). Tr ườ ng h ợ p bi ể u di ễ n qua nguyên t ố P ( th ườ ng ký hi ệ u là P P O 4 h o ặ c P - PO 4 h o ặ c P, ví d ụ 3 ,23 mgP P O 4 /m 3 ) thì n ồ ng đ ộ P h ố tphat chính là kh ố i l ượ ng Ph ố tpho có trong t ổ ng l ượ ng PO 4 - 3 k ể t rên, ngh ĩ a là c ũ ng có trong t ấ t c ả c ác d ạ ng t ồ n t ạ i c ủ a Ph ố tphát. T ươ ng t ự n h ư v ậ y, chúng ta có th ể d ễ d àng hi ể u đ ượ c nh ữ ng d ạ ng bi ể u di ễ n nh ư N H 4 + , N N H 4 , NO 2 - , N-NO 2 , NO 3 - , N N O 3 , H 2 PO 4 - , P H P O 4 ... Cách bi ể u di ễ n n ồ ng đ ộ ở c ác d ạ ng nh ư t rên r ấ t ti ệ n l ợ i đ ể s o sánh các h ợ p ch ấ t khác nhau c ủ a cùng m ộ t nguyên t ố . Khi c ầ n bi ể u di ễ n t ừ d ạ ng này sang d ạ ng khác ta ch ỉ c ầ n th ự c hi ệ n m ộ t phép bi ế n đ ổ i không khó kh ă n. Ví d ụ : N ồ ng đ ộ N itrat là 0,5 mgNO 3 - /l thì c ũ ng t ươ ng đ ươ ng nh ư 0 ,5.14/62 = 0,113 mgN N O 3 /l. N ồ ng đ ộ A môni là 0,36 mgNH 4 /m 3 t hì c ũ ng t ươ ng đ ươ ng nh ư 0 ,36.14/18 =0,28 mgN-NH 4 /m 3 . N ồ ng đ ộ P h ố tphat là 2,48 mgP-PO 4 /m 3 t hì c ũ ng t ươ ng đ ươ ng nh ư 2 ,48.95/31=7,60 mgPO 4 /m 3 . Các dạng nồng độ T rong Hoá h ọ c bi ể n đ ã s ử d ụ ng các d ạ ng n ồ ng đ ộ s au: D ạ ng tr ọ ng l ượ ng ho ặ c th ể t ích: L ượ ng ch ấ t tan tính b ằ ng tr ọ ng l ượ ng (th ườ ng là gam, miligam...) ho ặ c th ể t ích (th ườ ng là mililit) có trong m ộ t đ ơ n v ị t r ọ ng l ượ ng (th ườ ng là kilôgam) ho ặ c m ộ t đ ơ n v ị t h ể t ích (th ườ ng là lít, m 3 ) n ướ c bi ể n. D ạ ng tr ọ ng l ượ ng c ủ a n ồ ng đ ộ s ử d ụ ng m ộ t s ố k ý hi ệ u nh ư g /kg, g/l, mg/l, mg/m 3 , μ g/m 3 , ml/l... D ạ ng phân t ử g am: S ố p hân t ử g am ch ấ t tan có trong 1 lít n ướ c 16
  18. bi ể n. D ạ ng này có ký hi ệ u là M. N ồ ng đ ộ p hân t ử g am còn g ọ i là n ồ ng đ ộ M olan và th ườ ng vi ế t là, ví d ụ , n ồ ng đ ộ k hí Ôxy hoà tan trong n ướ c bi ể n là 0,5 molO 2 /l. Trong Hoá h ọ c bi ể n c ũ ng th ườ ng s ử d ụ ng n ồ ng đ ộ " ion gam", m ộ t bi ế n d ạ ng c ủ a M, đ ó là s ố i on gam c ủ a ion đ ang xét có trong 1 lít n ướ c bi ể n. N ồ ng đ ộ M olan và ion gam r ấ t c ầ n cho các tính toán cân b ằ ng hoá h ọ c trong n ướ c bi ể n. S ử d ụ ng chúng ti ệ n l ợ i ở c h ỗ , ví d ụ , 2 dung d ị ch có cùng M, n ế u th ể t ích b ằ ng nhau thì s ố p hân t ử c h ấ t tan trong 2 dung d ị ch nh ư n hau. D ạ ng đ ươ ng l ượ ng (còn g ọ i là n ồ ng đ ộ n guyên chu ẩ n): S ố đ ươ ng l ượ ng gam ch ấ t tan có trong 1 lít n ướ c bi ể n, ký hi ệ u N. S ử d ụ ng N ti ệ n l ợ i trong vi ệ c so sánh n ồ ng đ ộ c ác ion khác nhau vì các ion t ươ ng tác v ớ i nhau t ỷ l ệ t hu ậ n v ớ i đ ươ ng l ượ ng c ủ a chúng và trong dung d ị ch s ố đ ươ ng l ượ ng c ủ a các cation và anion luôn b ằ ng nhau. Ngoài ra, s ử d ụ ng n ồ ng đ ộ N c òn cho phép ki ể m tra d ễ d àng k ế t qu ả c ủ a các ph ả n ứ ng hoá h ọ c thông qua đ ẳ ng th ứ c V 1 N 1 =V 2 N 2 ( V là th ể t ích, N là n ồ ng đ ộ n guyên chu ẩ n, ch ỉ s ố 1 , 2 đ ể c h ỉ c ác dung d ị ch khác nhau tham gia ph ả n ứ ng). D ạ ng nguyên t ử g am: T ươ ng t ự n h ư n ồ ng đ ộ M , n ồ ng đ ộ n guyên t ử g am chính là s ố n guyên t ử g am ch ấ t tan có trong 1 lít n ướ c bi ể n, ký hi ệ u là At/l, m-At/l, μ -At/l. D ạ ng n ồ ng đ ộ n ày th ườ ng đ ượ c s ử d ụ ng đ ố i v ớ i các ch ấ t tan là nguyên t ố ( các nguyên t ố v i l ượ ng, m ộ t s ố c h ấ t khí...). Đ ế n đ ây chúng ta đ ã d ễ d àng hi ể u đ ượ c "N ồ ng đ ộ N itrit b ằ ng 3,0 mgN-NO 2 /m 3 " là th ế n ào, c ũ ng nh ư h i ể u đ ượ c các con s ố v à ký hi ệ u nh ư 8 ,53 mgNH 4 + /m 3 , 6,25 mlO 2 /l, CO 2 % = 98% đ ộ b ão hoà, [Ra]= 1,25.10 - 7 μ -At Ra/l... Nên nh ớ r ằ ng ch ỉ c ầ n thay đ ổ i m ộ t trong ba y ế u t ố c ấ u thành n ồ ng đ ộ ( th ứ n guyên, d ạ ng h ợ p ch ấ t, d ạ ng n ồ ng đ ộ ) là tr ị s ố c ủ a n ồ ng đ ộ t uy ệ t đ ố i b ị t hay đ ổ i. Ch ẳ ng h ạ n n ồ ng đ ộ P hôtphat là 0,5 μ -At P/l, c ũ ng t ươ ng đ ươ ng 15,5 mgP P O 4 /m 3 v à t ươ ng đ ươ ng 47,5 mgPO 4 /m 3 . Vi ệ c s ử d ụ ng cách bi ể u di ễ n n ồ ng đ ộ n h ư t h ế n ào là tu ỳ t heo yêu c ầ u c ụ t h ể v à m ụ c đ ích c ủ a các nghiên c ứ u. Khi c ầ n chuy ể n đ ổ i t ừ d ạ ng 17
  19. bi ể u di ễ n n ồ ng đ ộ n ày sang d ạ ng khác ta ch ỉ v i ệ c th ự c hi ệ n m ộ t vài phép tính s ố h ọ c đ ơ n gi ả n. 1.2. CÁC NGU Ồ N Đ Ầ U TIÊN T Ạ O NÊN THÀNH PH Ầ N HOÁ H Ọ C N ƯỚ C BI Ể N Cho đ ế n nay v ẫ n còn m ộ t s ố v ấ n đ ề c h ư a đ ượ c sáng t ỏ l iên quan đ ế n ngu ồ n g ố c thành ph ầ n hoá h ọ c n ướ c bi ể n, nh ư l à ch ư a rõ v ề t hành ph ầ n hoá h ọ c c ủ a thu ỷ q uy ể n s ơ s inh và nh ữ ng bi ế n đ ổ i c ủ a chúng đ ể đ ạ t đ ế n tr ạ ng thái nh ư b ây gi ờ . Nh ữ ng v ấ n đ ề n ày đ ã t ừ ng đ ượ c bàn lu ậ n trong nhi ề u n ă m v ớ i nhi ề u gi ả t huy ế t khác nhau, trong đ ó có 2 quan đ i ể m trái ng ượ c m ặ c dù m ỗ i quan đ i ể m đ ề u có nh ữ ng lý l ẽ r iêng c ủ a mình. Quan đ i ể m th ứ n h ấ t cho r ằ ng thành ph ầ n hoá h ọ c c ủ a thu ỷ q uy ể n nói chung và n ướ c bi ể n nói riêng lúc s ơ s inh đ ã g ầ n gi ố ng nh ư n gày nay b ở i n ướ c v ố n là m ộ t dung môi hoà tan đ ượ c m ọ i ch ấ t. Khi ế m khuy ế t c ơ b ả n c ủ a quan đ i ể m này là ở c h ỗ v ì sinh quy ể n xu ấ t hi ệ n sau th ạ ch quy ể n và thu ỷ q uy ể n khá nhi ề u nên ch ấ t h ữ u c ơ v à m ộ t s ố h ợ p ph ầ n khác không th ể c ó m ặ t trong thu ỷ q uy ể n s ơ s inh. Quan đ i ể m th ứ h ai cho r ằ ng thành ph ầ n hoá h ọ c c ủ a thu ỷ q uy ể n nói chung và n ướ c bi ể n nói riêng bu ổ i ban đ ầ u r ấ t "nghèo nàn", ph ả i tr ả i qua nhi ề u th ờ i đ ạ i m ớ i đ ượ c nh ư n gày nay. Quan đ i ể m này tránh đ ượ c thi ế u sót c ủ a quan đ i ể m th ư n h ấ t, nh ư ng c ũ ng không tránh kh ỏ i nh ữ ng nghi ng ờ n h ư l à: thu ỷ q uy ể n ban đ ầ u "nghèo nàn" nh ư t h ế n ào, kh ố i l ượ ng n ướ c c ủ a thu ỷ q uy ể n ở n h ữ ng ph ầ n khác nhau c ủ a hành tinh có nh ư b ây gi ờ k hông? Ngày nay, ng ườ i ta đ ã kh ẳ ng đ ị nh đ ượ c r ằ ng các quá trình bi ế n đ ổ i c ủ a l ớ p v ỏ đ ấ t đ á và quá trình ti ế n hoá c ủ a khí quy ể n hành tinh đ óng vai trò r ấ t quan tr ọ ng trong su ố t quá trình tích lu ỹ v à bi ế n đ ổ i thành ph ầ n hoá h ọ c n ướ c t ự n hiên, trong đ ó có n ướ c bi ể n. Đ ây c ũ ng là c ơ s ở r ấ t v ữ ng ch ắ c cho gi ả t huy ế t th ứ h ai. V ớ i c ơ s ở đ ó, ng ườ i ta cho r ằ ng ngu ồ n g ố c c ủ a ph ầ n l ớ n các anion t rong n ướ c bi ể n có liên quan đ ế n các khí thoát ra t ừ M antri và sau đ ó khí thâm nh ậ p vào n ướ c bi ể n. Nh ư v ậ y các anion đ ượ c t ạ o ra ch ủ y ế u ngay trong lòng n ướ c bi ể n b ằ ng các quá trình ôxi hoá các khí hoà tan. Còn v ớ i 18
  20. các cation, vì chúng là s ả n ph ẩ m c ủ a quá trình phong hoá trên l ụ c đ ị a nên s ự c ó m ặ t c ủ a chúng trong n ướ c bi ể n ch ủ y ế u là do sông mang đ ế n. Theo tính toán c ủ a A.P. Vinogradov, g ầ n 50% mu ố i c ủ a bi ể n có ngu ồ n g ố c t ừ s ự k h ử k hí c ủ a Mantri và g ầ n 50% là s ả n ph ẩ m phong hoá đ ấ t đ á trên l ụ c đ ị a r ồ i đ ượ c sông đ ư a ra bi ể n. 1 .2.1 Quá trình ti ế n tri ể n c ủ a khí quy ể n hành tinh và ngu ồ n g ố c các anion trong n ướ c bi ể n T rái đ ấ t c ủ a chúng ta hình thành cách đ ây kho ả ng 4,5 đ ế n 5 t ỷ n ă m. Khi đ ó khí quy ể n s ơ s inh r ấ t nghèo nàn, nó không có h ơ i n ướ c, Ôxy và nhi ề u khí khác nh ư b ây gi ờ m à ch ỉ c ó ch ủ y ế u là Hydro, Hêli và b ụ i v ũ t r ụ . Nh ữ ng bi ế n đ ộ ng c ủ a trái đ ấ t sau đ ó đ ã làm thoát ra t ừ M antri nhi ề u lo ạ i khí (t ươ ng t ự n h ư c ác khí thoát ra t ừ h o ạ t đ ộ ng núi l ử a hi ệ n nay). Do đ ó trong quá kh ứ ( và c ả h i ệ n t ạ i), Mantri đ ã b ổ s ung cho khí quy ể n nhi ề u lo ạ i khí nh ư H Br, HI, HCl, HF, NH 3 , S, SO 2 , H 2 S, CH 4 , CO 2 , CO và c ả h ơ i n ướ c cùng v ớ i Hydro, Argon... B ầ u khí quy ể n nh ư v ậ y hoàn toàn mang đ ặ c tr ư ng kh ử , còn g ọ i là b ầ u khí quy ể n kh ử v à đ ặ c tr ư ng này duy trì t ươ ng đ ố i ổ n đ ị nh cho t ớ i cách đ ây kho ả ng 3 t ỷ n ă m. K ể t ừ k hi hình thành, nh ấ t là t ừ t h ờ i đ i ể m cách đ ây kho ả ng 3 t ỷ n ă m, b ầ u khí quy ể n kh ử l iên t ụ c b ị b i ế n đ ổ i d ướ i tác đ ộ ng c ủ a r ấ t nhi ề u quá trình, trong đ ó có 3 quá trình ch ủ y ế u là quang hoá, quang h ợ p và ôxy hoá. Các ph ả n ứ ng quang hoá phân hu ỷ c ác phân t ử k hí d ướ i tác đ ộ ng c ủ a tia b ứ c x ạ v ũ t r ụ . Ví d ụ : 2NH 3 ⎯ → N 2 + 3 H 2 2H2O ⎯→ 2H2 + O2 CH4 + O2 ⎯→ CO2 + 2H2 T h ờ i k ỳ t rái đ ấ t m ớ i hình thành, khí quy ể n còn đ ơ n gi ả n nên các tia b ứ c x ạ d ễ d àng xâm nh ậ p t ớ i c ả b ề m ặ t hành tinh, do đ ó các ph ả n ứ ng quang hoá phân hu ỷ p hân t ử k hí x ả y ra ở m ọ i đ ộ c ao trong b ầ u khí quy ể n. Theo th ờ i gian, thành ph ầ n đ ị nh tính và đ ị nh l ượ ng c ủ a khí quy ể n t ă ng d ầ n, nh ấ t là s ự x u ấ t hi ệ n c ủ a Ôzon (O 3 ) đ ã ng ă n c ả n r ấ t nhi ề u s ự p há ho ạ i c ủ a các tia v ũ t r ụ . Ngày nay, tác đ ộ ng c ủ a quá trình này ch ỉ c òn 19
nguon tai.lieu . vn