- •Содержание
- •Введение
- •1 Место и роль химмотологии в экономике страны
- •1.1 Химмотология как прикладная наука
- •1.2 Вопросы для самопроверки
- •2 Методические основы химмотологии
- •2.1 Квалификационные методы испытаний горюче-смазочных материалов
- •2.2 Стендовые испытания топлив и масел
- •2.3 Эксплуатационные испытания горюче-смазочных материалов
- •2.4 Классификационные испытания моторных масел
- •2.5 Вопросы для самопроверки
- •3 Основы теории окисления жидких углеводородов
- •3.1 Общие закономерности окисления углеводородов
- •3.2 Механизм образования возбужденных молекул при окислении газообразных углеводородов
- •3.3 Механизм зарождения цепей при окислении углеводородов
- •3.4 Особенности газофазного окисления углеводородов
- •3.5 Противоокислительная стабильность жидких углеводородов
- •3.6 Окисление капель распыленных жидких углеводородов
- •3.7 Особенности окисления сложных смесей жидких углеводородов
- •Особенности окисления топлив при хранении
- •3.9 Вопросы для самопроверки
- •4 Особенности окисления масел при хранении и применении
- •4.1 Влияние химического состава масел на их стабильность против окисления
- •4.2 Основные факторы, ускоряющие окисление масел
- •4.2.1 Влияние температуры на окисление моторных масел
- •4.2.2 Катализаторы и другие факторы, ускоряющие окисление
- •4.3 Вопросы для самопроверки
- •5 Общие теоретические представления о механизме действия противоокислительных присадок
- •5.1 Противоокислительные присадки и механизм их действия
- •5.2 Смеси противоокислителей и синергизм их действия
- •Вопросы для самопроверки
- •6 Основные закономерности испарения жидких топлив
- •6.1 Основные показатели и характеристика испаряемости жидких топлив
- •6.2 Вопросы для самопроверки
- •7 Общие закономерности горения жидких топлив
- •7.1 Краткая характеристика пламен
- •7.2 Ламинарные пламена
- •7.3 Теории распространения ламинарных пламен
- •7.4 Химические процессы в предпламенной зоне
- •7.5 Воспламенение (зажигание) горючей смеси
- •7.6 Самовоспламенение (взрывное горение) горючей смеси
- •7.7 Самовоспламенение углеводородо-воздушных смесей
- •7.8 Особенности самовоспламенения распыленных жидких топлив
- •7.9 Вопросы для самопроверки
- •8 Особенности горения жидких топлив в поршневых двигателях
- •8.1 Процессы, протекающие при горении топлив в двс
- •8.2 Вопросы для самопроверки
- •9 Основы теории поверхностных явлений
- •9.1 Характеристика поверхности и механизмы действия пав
- •9.2 Теоретические основы трения и износа
- •9.3 Вопросы для самопроверки
- •Основные термины
- •Условные обозначения
- •Литература
3.7 Особенности окисления сложных смесей жидких углеводородов
Для индивидуальных углеводородов различных гомологических рядов установлены закономерности, позволяющие прогнозировать и рассчитывать склонность к окислению или их противоокислительную стабильность. Практически ГСМ и специальные жидкости являются сложными смесями углеводородов, содержащими различные органические соединения (гетероорганические примеси, присадки, продукты окисления, неорганические примеси и т.д.). Н.И. Черножуковым и С.Э. Крейном установлено, что при неглубоком окислении смесей, содержащих нафтеновые, парафиновые, изопарафиновые и алкилароматические углеводороды, наблюдается аддитивное изменение окисляемости смеси соответственно окисляемости углеводородов, входящих в состав этих смесей. Вместе с этим отмечено, что на окисляемость смесей углеводородов существенно влияет присутствие некоторых ароматических углеводородов, а особенно сильное ингибирующее действие оказывают антрацен, фенантрен, нафталин, ди- и трифенилметан.
Ароматические углеводороды с боковыми цепями в малых концентрациях (до 10 %) слабо тормозят окисление нафтенов, и только при концентрации более 20 %, при глубоком окислении, заметно снижают скорость окисления нафтенов. Следовательно, в сложных смесях углеводородов, которыми являются нефтяные топлива и смазочные масла, могут присутствовать химические соединения, являющиеся эффективными ингибиторами окисления. Эти соединения называют естественными (природными) ингибиторами окисления, в отличие от искусственных ингибиторов, специально вводимых в ГСМ, для повышения их противоокислительной стабильности. Таким образом, в начальной стадии процесс окисления топлив и масел относится к так называемому ингибированному окислению, в котором одновременно с зарождением цепей протекают реакции их обрыва, что обусловлено взаимодействием активных радикалов с молекулами естественного ингибитора, что подтверждают многочисленные исследования влияния степени очистки ГСМ на их противоокислительную стабильность.
При глубокой очистке ГСМ из них удаляются естественные ингибиторы и противоокислительная стабильность резко снижается, а их окисляемость, противоокислительная стабильность в начальной стадии окисления будут зависеть от концентрации и химической активности присутствующих в смеси естественных ингибиторов. Состав и свойства естественных ингибиторов мало изучены, но естественные и искусственные ингибиторы должны проявлять общее для противоокислителей свойство, обусловливающее однотипный механизм их действия. Известно, что основными реакциями отрыва цепей на молекулах ингибитора (InН) являются:
К7
7) R (или ROO ) + InH* → RH(или ROOH) + In
К8
8) In + R ( или ROO ) → InR (или InOOR)
Причем константа скорости К8 реакции (8) на несколько порядков выше, чем К7 реакции (7) (К7=103 – 105 л/(моль·с), К8=107–108 л/(моль·с)).
Очевидно, что радикалы In являются более активными ингибиторами окисления по сравнению с исходной молекулой ингибитора. Кроме того, высокая ингибирующая эффективность свободных радикалов при окислении топлив и масел связана с участием радикалов In в реакциях переноса электрона и реакциях «тушения» возбужденных состояний углеводородов. Это свойство способствует их взаимодействию с ион-радикалами Ǒ2- и ŘH+, образующимися на поверхности металла, и предотвращению образования активных радикалов, ведущих цепь окисления по схемам
Ǒ2- + In → O2 + In-
ŘH+ + In- → RH + In
То есть свободные радикалы могут тормозить окисление углеводородов не только за счет взаимодействия с активными радикалами по реакции (8), но и на стадии, предшествующей образованию активных радикалов, вследствие «тушения» возбужденных молекул углеводорода и перевода ион-радикалов ŘH+ и Ǒ2- в электрически нейтральные молекулы RH и O2.
Следовательно, наиболее характерным свойством ингибиторов жидкофазного окисления углеводородов является их способность образовывать стабильные, свободные радикалы и именно этим свойством должны характеризоваться соединения, играющие роль естественных ингибиторов, а к таким соединениям относят полиарилэтаны.
Гомберг в 1900 г. при синтезе гексафенилэтана в бензольном растворе впервые установил существование стабильного свободного радикала – трифенилметила. Оказалось, что при частичной диссоциации гексафенилэтана в растворе происходит разрыв центральной С-С связи и образуется два свободных радикала трифенилметила по схеме
(С6Н5)3С–С(С6Н5)3 ↔ 2Č(С6Н5)3
В дальнейшем были синтезированы ряд симметричных полиарилэтанов и полиарилгидразинов, которые при растворении в различных растворителях также диссоциировали с образованием свободных радикалов.
Стабилизация свободных радикалов, образующихся при диссоциации полиарилэтанов, происходит:
вследствие делокализации неспаренного электрона, взаимодействующего с -электронами ароматических колец;
вследствие делокализации неспаренного электрона на лиганде.
Кроме того, стабильные свободные радикалы типа трифенилметила и дефенилазота могут образовываться не только путем диссоциации молекул соответствующего симметрично построенного полиарилэтана или полиарилгидразина, но и за счет взаимодействия активных свободных радикалов с молекулами полиарилметана (полиариламина), а также при взаимодействии двух возбужденных молекул полиарилметана по реакции (0').
Свободные радикалы типа полиарилметила (полиарилазота) не только обрывают цепи окисления в объеме углеводорода, но и предотвращают образование лаковых отложений на нагретой металлической поверхности, омываемой топливом и маслом, улучшая их моющие свойства. К эффективным естественным ингибиторам окисления относят также конденсированные ароматические системы – нафталин, фенантрен, антрацен и другие, которые сравнительно легко образуют свободные радикалы и ион-радикалы. Свободные радикалы образуются в процессе синтеза антрацена при его термообработке (450ºС) или облучении, а арилоксидные свободные радикалы образуются при окислении кислородом конденсированных ароматических соединений. Следовательно, многие ароматические соединения, легко образующие стабильные свободные радикалы или ион-радикалы, могут выступать в качестве естественных ингибиторов окисления углеводородов. Стабильные свободные радикалы присутствуют в остаточных и некоторых дистиллятных смазочных маслах и в смолистой части топлив. Они образуются в масле в процессе работы теплового двигателя, а источником их образования являются ароматические углеводороды. Смолистые соединения, присутствующие в бензинах и дизельных топливах (в остатке после перегонки), также содержат свободные радикалы в количестве 1·1014–1·1016 в одном грамме остатка.
Естественными ингибиторами окисления могут служить также некоторые гетероорганические соединения, находящиеся в ГСМ в виде примесей, а механизм их действия связан с обрывом цепей на стадии вырожденного разветвления цепей. При взаимодействии этих соединений с гидропероксидами образуются неактивные молекулы продуктов реакции. К таким соединениям, реагирующим с гидропероксидами, относятся некоторые амины и аминосульфиды, сульфиды, меркаптаны, дисульфиды, тиильные радикалы, алифатические фосфиты и ароматические фосфиты с неэкранированными феноксилами. Из них наиболее активны сульфиды, у которых атом серы соединен с алифатическими или циклоалифатическими радикалами, что обусловлено предварительным образованием меркантильного или феноксисульфидного свободных радикалов. Чем сложнее состав нефтяной фракции, шире температурные пределы ее выкипания и выше средняя молекулярная масса ( ), тем больше присутствует во фракции соединений, являющихся естественными ингибиторами окисления. Эффективность ингибирующего действия естественных противоокислителей возрастает в ряду: бензины<керосины<дизельные топлива<моторные масла, но в маслах противоокислительная стабильность сильно изменяется с увеличением их степени очистки.