Химия и контроль качества эксплуатационных продуктов

ХИМИЯ 
И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА 
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ 
ПРОДУКТОВ

Москва
ИНФРА-М
2019

УЧЕБНИК

Э.А. ИРТУГАНОВА
С.Ю. ГАРМОНОВ
В.Ф. СОПИН

Рекомендовано Государственным образовательным учреждением 
высшего профессионального образования 
«Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»
в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся 
по направлению подготовки 27.03.01 «Стандартизация и метрология» 

(Регистрационный номер рецензии 1708 от 29.12.2011)

УДК 547(075.8)
ББК 35.50я73
 
И77

Иртуганова Э.А.
Химия и контроль качества эксплуатационных продуктов : 
учебник / Э.А. Иртуганова, С.Ю. Гармонов, В.Ф. Сопин. – М. : 
ИНФРА-М, 2019. – 528 с. + Доп. материалы [Электронный 
ресурс; Режим доступа http://www.znanium.com]. — (Высшее 
образование). — www.dx.doi.org/10.12737/2771.

ISBN 978-5-16-005591-6 (print)
ISBN 978-5-16-101250-5 (online)

В учебнике на современном уровне изложены данные о составе, физико-химических свойствах, показателях качества, методах контроля качества 
и испытаний эксплуатационных продуктов и материалов: моторных топлив; 
масел и пластичных смазок; технических жидкостей различного назначения; 
конструкционных и технологических материалов. Приведены характеристики 
основных марок эксплуатационных продуктов во взаимосвязи с требованиями 
соответствующих стандартов, а также условия их рационального и безопасного 
применения.
Для студентов вузов, обучающихся по специальностям в области стандартизации и сертификации химической продукции, а также может быть использован для подготовки студентов по направлениям «Химическая технология 
органических веществ и топлива», «Транспортные машины и транспортнотехнологические комплексы» и «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования».

УДК 547(075.8)
ББК 35.50я73

Р е ц е нзе нт ы:
О.Г. Синяшин, д-p хим. наук, академик РАН, директор Института органической 
и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН;
Г.К. Будников, д-p хим. наук, профессор кафедры аналитической химии 
Казанского федерального университета

И77

ISBN 978-5-16-005591-6 (print)
ISBN 978-5-16-101250-5 (online) 
 © Коллектив авторов, 2014

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений химико-технологического профиля по направлениям подготовки в области 
стандартизации и сертификации химической продукции. В книге отражена специфика курсов, предназначенных для специальности «Стандартизация и сертификация», связанных как со знанием химии, так и с изучением 
эксплуатационных параметров продуктов и материалов, ограниченных 
сравнительно небольшим числом учебных часов. Вместе с тем объем и содержание учебного издания зна чительно расширяют возможности обучения и по другим специальностям. В частности, учебник может быть интересен и полезен студентам, изучающим основы химмотологии по направлениям «Химическая технология органических веществ и топлива», 
«Теплоэнергетика», «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы» и «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного 
оборудования».
Учебник состоит из двух разделов, последовательно раскрывающих 
химический состав, свойства, эксплуатационные и качественные параметры продуктов и материалов, используемых в автомобильной и авиационной технике.
В разделе 1 «Эксплуатационные продукты и материалы» отражены 
важнейшие физико-химические показатели различных видов топлив, 
смазочных продуктов и технических жидкостей, условия их эксплуатации 
и хранения. В отдельных главах раздела описаны эксплуатационные материалы — пластмассы, эластомеры, лакокрасочные продукты, кремнийорганические полимеры и др.
Раздел 2 «Контроль качества эксплуатационных продуктов» раскрывает систему контроля и оценки свойств химических продуктов и рассматривает классические и современные методы контроля качества и экспресс-испытаний топлив, масел и смазок, охлаждающих и гидравлических 
жидкостей.
Учебник содержит большое количество таблиц и схем, формул и рисунков, частично разработанных самими авторами, а частично заимствованных из других источников, но переработанных или упрощенных. По 
авторскому замыслу это должно в полной мере способствовать наглядности и всесторонней полноте изложения учебного материала. При этом 
процедурная часть контроля качества продуктов представлена в основном 
в виде рисунков без детального описания методики анализа.
После каждой главы приводятся контрольные вопросы, работа над 
которыми способствует более качественному усвоению обуча ющимися 
материала учебника.
Изучение отдельных глав книги рекомендуется проводить в два этапа. 
При первом чтении создается общее представление о содержании главы, 
выявляются трудные места. При повторном изучении темы легче понять 
суть вопроса, теоретические положения, их применение, уравнения химических реакций. Для проверки усвоения полезно восстановить по па

мяти основные положения прочитанного, а затем снова вернуться к тому, 
что оказалось непонятным. Для лучшего усвоения прочитанного параллельно с чтением книги рекомендуется вести конспект, в который заносятся основные законы и понятия, формулы и уравнения реакций, незнакомые термины и названия, математические расчеты.
Все замечания и пожелания по содержанию и структуре учебника будут приняты с благодарностью.
Авторы

Таблица 0.1

Соотношение единиц измерения некоторых физических величин

Физическая 
величина

Обозначение единиц 
измерения в системе 
СИ (их производные)

Соотношение единиц измерения

в системе СГС,
внесистемные
в системе СИ

Длина
м
мк (микрон)
10-6 м

(дм, см, мм)
Å (ангстрем)
10-10 м

Объем
м3
мл,
см3 = 10-6 м3

(см3, дм3)
л
дм3 = 10-3 м3

Плотность
кг/м3
г/мл
1000 кг/м3

Давление
Па (паскаль) = Н/м2
мм.рт.ст
133,3 Па

(кПа, МПа)
атм
101,325 кПа

Мощность
Вт (ватт) = кг ⋅ м/с
л.с.
735,5 Вт

Частота
Гц (герц) = с-1
оборот/мин
мин-1 = 60 с-1

Вязкость  
кинематическая
м2/с
Ст (стокс)
сСт (сантистокс)
10-4 м2/с
мм2/с =10-6 м2/с

Вязкость  
динамическая
Па ⋅ с = Н ⋅ с/м2
П (пуаз)
0,1 Па/с 

Работа, сила
Н (ньютон)
дин (дина)
9,81 ⋅ 10-5 Н

Энергия
Дж (джоуль)
кВт ⋅ ч
3,6 МДж

эВ
1,6 ⋅ 10-19 Дж

Теплоемкость 
удельная
Дж/(кг ⋅ К)
Дж/(кг ⋅ °С)
ккал/кг ⋅ °С
4186,8 Дж/(кг ⋅ °С)

Тепло- 
проводность
Вт/(м ⋅ °С)
ккал (м ⋅ ч ⋅ °С)
1,163 Вт/(м ⋅ °С)

ВВЕДЕНИЕ

Для непосредственного функционирования (эксплуатации по предназначению) автомобильной и авиационной техники необходимы эксплуатационные продукты. Эксплуатационными называют продукты и материалы, используемые при хранении, эксплуатации, тех ническом обслуживании и ремонте техники автомобильного и авиационного назначения. 
К эксплуатационным продуктам (рис. 1.0) относятся: моторные топлива, 
смазочные продукты (моторные, трансмиссионные масла и пластичные 
смазки), технические жидкости (охлаждающие, гидравлические, промывочные, очистительные). Кроме того, для поддержания техники в работоспособном состоянии в период технического обслуживания и ремонта 
применяют различные технологические материалы: клеящие составы, 
лакокрасочные покрытия и др. Из конструкционных неметаллических 
материалов наибольшее практическое применение находят пластмассы, 
резинотехнические изделия.

Клеи

Лаки, краски

Резинотехнические изделия

Пластмассы, волокна

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ  ПРОДУКТЫ

Бензины
   • автомобильные
   • авиационные

Дизельные топлива

Реактивные топлива

Масла
   • моторные
   • трансмиссионные
   • гидравлические

Смазки
   • антифрикционные
   • консервационные
   • уплотнительные

Охлаждающие

Гидравлические
   • тормозные
   • амортизаторные

Пусковые

Технические
   • антиобледенительные
   • очистительные
   • стеклооомывающие

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
И КОНСТРУКЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ

ЖИДКОСТИ

СМАЗОЧНЫЕ
ПРОДУКТЫ

МОТОРНЫЕ
ТОПЛИВА

Рис. 1.0.  Классификация эксплуатационных продуктов

Основным сырьевым источником получения эксплуатационных продуктов является нефть. В развитии отечественной нефтяной промышленности велика роль Д. Менделеева, придававшего особое значение науке 
о нефти как важному средству неуклонного движения научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования академиков Н. Зелинского, С. Наметкина, Н. Семенова позволили раскрыть особенности строения углеводородов нефти и раскрыть возможности их использования 
в нефтепродуктах. Эффективное использование нефтепродуктов невозможно без представления о процессах изменения и окисления углеводородов и их производных, без надежной методики анализа их качества. 
В этой области большое значение имеют работы Н. Черножукова, Г. Виноградова, К. Папок, С. Крейна и др.
Потребность в научной обоснованности применения нефтепродуктов 
как горюче-смазочных материалов (ГСМ) привела к появлению прикладной отрасли науки, получившей название химмотология («химия», лат. 
motor — приводящий в движение и греч. logos — наука), впервые предложенное в 1964 г. К. Папок. Это область знаний о свойствах, качестве и рациональном использовании ГСМ в технике (двигателях, машинах и механизмах). Известно, что эффективность и надежность эксплуатации 
различных автотранспортных средств зависит не только от их конструкционных и технологических особенностей, но и в значительной степени 
от правильного подбора к ним топлив, смазочных продуктов и технических жидкостей. Формирование химмотологии в самостоятельное направление науки обусловлено увеличением объемов потребления ГСМ, возрастанием их значения в обеспечении надежности и долговечности техники.
На сегодняшний день основные задачи развития функционального 
применения эксплуатационных продуктов связаны с оптимизацией качества ГСМ, обеспечением наиболее полного соответствия эксплуатационных свойств ГМС требованиям двигателей. Решение задач этой группы 
базируется на исследовании комплекса физико-химических процессов, 
протекающих при использовании эксплуатационных продуктов (испарение, смесеобразование, сгорание, лако- и нагарообразование, коррозионный и механический износ и т.д.). Это же направление включает работы по оценке эффективности путей улучшения качества ГСМ (новые 
компоненты, методы очистки, присадки, добавки и др.) и расширения их 
ресурсов (альтернативные топлива и синтетические смазочные материалы). В то же время необходимым является повышение эффективности 
применения ГСМ в условиях эксплуатации. Здесь крайне важны разработка и научное обоснование норм расхода ГСМ, сроков их хранения, 
принципов классификации, унификации сортов и марок, взаимозаменяемости, методов восстановления качества некондиционных топлив и регенерации отработавших смазочных материалов. Перспективным направлением считается создание научных основ и рекомендаций по экономии 
топливно-энергетических ресурсов и обеспечению двигателей, машин 
и механизмов высококачественными ГСМ с широкими сырьевыми ресурсами.

Физико-химические свойства органических веществ определенной 
структуры, входящих в состав технических продуктов, обусловливают 
и обеспечивают их эксплуатационные свойства. Так, углеводороды — основная часть моторных топлив — обеспечивают работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) за счет необходимой воспламеняемости и полноты сгорания топливно-воздушной смеси. При этом стоимость ряда 
эксплуатационных продуктов, получаемых из нефти, существенно зависит 
и от ее качества. Соответственно уровень рентабельности добычи, переработки и транспортировки определяется не только количественными, 
но и в значительной степени качественными показателями нефтепродуктов.
Нефтеперерабатывающая промышленность вырабатывает исключительно большой ассортимент (более 500 наименований) газообразных, жидких и твердых нефтепродуктов. Требования к ним весьма разнообразны 
и диктуются постоянно изменяющимися условиями применения или эксплуатации того или иного конкретного нефтепродукта. Безопасность и надежность эксплуатации техники в значительной степени определяются 
качеством применяемых нефтепродуктов. Кроме того, нефтепродукты по 
своей природе экологически опасны для окружающей среды, человека 
и имущества. Поэтому повышенное внимание уделяется надежной экологически безопасной эксплуатации ГСМ на различных этапах их жизненного цикла.
Поверхностно-активные свойства компонентов смазочных продуктов — мылов, жиров, тиоэфиров — служат основой для смазывающих, 
противоизносных, защитных и уплотнительных функций масел (моторных и трансмиссионных) и пластичных смазок.
Низкозамерзающие и легкоподвижные смеси воды и двухатомных 
спиртов (гликолей) находят применение в охлаждающих, тормозных 
и амортизаторных жидкостях.
Высокоустойчивые к окислению и перепадам рабочих температур 
кремнийорганические жидкие полимеры в последнее время широко используются в качестве гидравлических жидкостей различного назначения, 
поверхностных покрытий и др.
Для всесезонной эффективной эксплуатации автомобильной и авиационной техники выпускается большой ассортимент эксплуатационных 
материалов полимерного состава, отличающихся эластичностью, тепло- 
и звукоизоляционными свойствами, диэлектрическими показателями: 
каучуки и резина, пластмассы и пенопласты, волокна, клеи и т.д.
При ремонте и техническом обслуживании автомобилей применяются промывочные составы и очистительные средства на основе спиртов, 
ароматических углеводородов, галогеналканов и др.
Моделирование необходимого комплекса эксплуатационных свойств 
продуктов непосредственным образом опирается на знания состава 
и строения веществ, их физических показателей и направлений химических реакций. В связи с этим знания структуры и характерных свойств 
органических соединений, входящих в состав эксплуатационных продуктов (описанные в первом разделе учебника), способствуют усвоению учеб

ного материала последующего раздела «Контроль качества эксплуатационных продуктов». Ведь под качеством эксплуатационных продуктов 
понимается совокупность свойств, обусловливающих их пригодность для 
использования. В этом определении подчеркивается главное их назначение — удовлетворять соответствующие потребности потребителя с высокой эффективностью и экономичностью.

Р а з д е л  I

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПРОДУКТЫ

Глава 1.  МОТОРНЫЕ ТОПЛИВА

§1.  
НЕфТь КАК СЫРьЕ ДЛя ПОЛУчЕНИя  
ГОРючЕ-СМАзОчНЫх МАТЕРИАЛОВ

1.1. 
химический состав нефти

Нефть в качестве сырья для производства различных видов топлив и масел обладает рядом преимуществ: высокая калорийность, относительная простота добычи, транспортирования и переработки. Считается, что нефть — это органические останки некогда 
живших на Земле животных и растений. Существует и другая версия 
неорганического происхождения нефти: действие воды на раскаленные карбиды металлов в толще земной коры и дальнейшее видоизменение их под влиянием высокой температуры и давления.
Нефть — маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом — представляет собой сложную смесь большого числа различных углеводородов с примесями сера-, азот- и кислородсодержащих 
соединений. Элементный состав нефти колеблется в пределах:  С — 
83–87%,  Н — 12–14%,  S — 3–4%, остальное —  N  и O  (элементный состав нефти различных месторождений представлен 
в табл. 1.1). Все многообразие углеводородов, присутствующих 
в нефти, сводится к трем классам (гомологическим рядам): алканы 
(или парафины), циклоалканы (или нафтены) и ароматические углеводороды (арены).
Таблица 1.1

Элементный состав нефти различных месторождений (в %)

Месторождение
Плотность, 
кг/м3
С
Н
S
N
O
Зола

Ухтинское (РФ)
897
85,30 12,46 0,88 0,14
–
0,01

Грозненское (РФ)
850
85,95 13,00 0,14 0,07 0,74 0,10

Сураханское (Азербайджан)
793
85,34 14,14 0,03
–
0,49
–

Калифорнийское (США)
912
84,00 12,70 0,40 1,70 1,20
–

В зависимости от месторождения различны цвет, вязкость, а следовательно, и состав входящих в нефть соединений. Чем светлее 
нефть, тем больше в ней легкокипящих углеводородов, и, наоборот, 
с увеличением количества твердых высших углеводородов и смолистых веществ в нефти цвет ее темнеет (плотность возрастает). Например, Грозненское месторождение нефти богато парафинами, Сураханская и Бакинская нефти в основном состоят из циклоалканов. 
Как правило, соединений бензольного ряда присутствует меньше 
всего (можно выделить Мангышлакское и Верхне-Чусовское месторождения).
Кроме того, по количественному содержанию серосодержащих 
(сернистых) соединений различают малосернистые, сернистые и высокосернистые нефти.
Класс углеводородов, по которому нефти дается наименование, 
должен присутствовать в количестве более 50%. Если присутствуют 
углеводороды также и других классов и один из классов составляет 
не менее 25%, то выделяют смешанные типы нефти: метано-нафтеновые, нафтено-метановые, ароматическо-нафтеновые, нафтеноароматические, ароматическо-метановые и метано-ароматические; 
в них первого компонента содержится более 25%, второго — более 
50%. Содержание основных классов углеводородов в различной 
нефти (во фракциях, выкипающих до 300 °С, в % на всю нефть) представлено в табл. 1.2.
Таблица 1.2

Содержание основных классов углеводородов в различной нефти (в %)

Месторождение
Плотность, кг/м3
Парафины
Нафтены
Арены

Пермское (РФ)
941
8,1
6,7
15,3

Грозненское (РФ)
844
22,2
10,5
5,5

Сураханское (Азербайджан)
848
13,2
21,3
5,2

Калифорнийское (США)
897
9,8
14,9
5,1

Техасское (США)
845
26,4
9,7
6,4

Эксплуатационные свойства вырабатываемых нефтепродуктов 
зависят от химического состава и качества нефти. Больше всего 
в нефти содержится алканов состава  СnН2n+2  различного строения 
(нормального и изомерного). Низшие газообразные (С1–С4) и высшие твердые (более  С15) алканы, входящие в состав нефти, растворены в жидких углеводородах. При этом изомеры нормального строения имеют более низкую температуру кипения и температуру плавления, чем изомеры разветвленной структуры. Все углеводороды 
парафинового ряда при нормальных условиях слабо взаимодействуют с другими веществами, не способны к реакциям присоедине