Обратимый хромовый термоиндикатор

 

Изобретение относится к новому классу обратимых термочувствительных материалов и может быть использовано для визуального контроля температуры в различных технологических процессах. Создание нового обратимого термохромного материала, обладающего способностью обратимо изменять окраску при нагревании, доступного в получении и удобного в использовании на практике, достигается за счет того, что обратимый термохромный материал создан на основе моногидрата гекса(изотиоцианато)хромата (III) 2-аминопиридиния. Термохромный материал обратимо изменяет окраску при нагревании до 80^oС.

Изобретение относится к новому классу обратимых термочувствительных материалов и может быть использовано для визуального контроля температуры в различных технологических процессах. Подавляющее большинство известных обратимых термочувствительных материалов выполнено на основе координационных соединений d-элементов [1, 2].

Термочувствительный пигмент Ag₂[HgI₄] изменяет окраску от желтой до темно-коричневой при 45^oС, a Cu₂[HgI₄] - от карминово-красной до коричневой при 65^oС. Изменение окраски этих координационных соединений связано с перестройкой кристаллической структуры [3]. К недостаткам этих термохромных материалов относятся наличие токсичных соединений ртути и медленное разложение тетрайодомеркурат(II)-аниона во влажной атмосфере.

Тетрахлорокупрат (II) бис-(диэтиламмония) [(CH₃CH₂)₂NH₂]₂CuCl₄ также обладает термохромными свойствами и при температуре 45^oС изменяет окраску от ярко-зеленой до желтой. Изменение окраски обусловлено структурной изомеризацией комплекса из плоскоквадратного в тетраэдрический [4]. Искажение геометрии галогенокупратного CuCl₄ ^2- аниона является результатом термодинамического перехода стерически затрудненной низкотемпературной формы, имеющей зеленую окраску, в более разупорядоченную высокотемпературную форму, окрашенную в желтый цвет. Применение данного термохромного материала на практике ограничивается чрезвычайной гигроскопичностью низкотемпературной формы комплекса и требует вакуумной герметизации материала.

Термохромное превращение красной формы соединения [Сu((СН₃СН₂)₂NСН₂СН₂NН₂)₂] (ClO₄)₂ в сине-фиолетовую при 80^oС связано с искажением структуры исходных плоскоквадратных катионов. Процесс термоизомеризации проходит эндотермически и имеет все признаки фазового перехода: он обратим и протекает при фиксированной температуре. Установлено, что в процессе фазового перехода уменьшается прочность водородных связей NH...Cl, которые обеспечивают жесткую структуру комплексного катиона в низкотемпературной форме [5]. Недостатком этого термохромного материала является наличие в его составе органического лиганда, который в настоящее время не выпускается промышленностью.

Обратимый термохромизм характерен также для биметаллических комплексов состава: [NL₆][Сr(NСS)₆], где М=Al, Sc, и [NL₈][Cr(NCS)₆], где M=Y и лантаноиды, L= диметилсульфоксид, диэтилсульфоксид, диметилформамид [6]. В интервале температур от 120 до 220^oС соединения обратимо изменяют окраску от малиновой до темно-зеленой. Изменение окраски связано с процессами лигандного обмена между двумя координационными сферами. Недостаток этих термохромных материалов заключается в использовании редких металлов (скандия, иттрия и лантаноидов), что обусловливает высокую стоимость термоиндикаторов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является термохромный материал состава [Cu((CH₃CH₂)₂NCH₂CH₂NH₂)₂] (ClO₄)₂, изменяющий окраску вследствие разупорядочения элементов кристаллической структуры и имеющий температуру изменения окраски 80^oС.

Цель изобретения - создание нового обратимого термохромного материала на основе моногидрата гекса(изотиоцианато)хромата (III) 2-аминопиридиния, обладающего способностью обратимо изменять окраску при нагревании до 80^oС, доступного в получении и удобного в использовании на практике.

Это достигается использованием в качестве исходных веществ гекса(изотиоцианато)хромата (III) калия и 2-аминопиридина (С₅Н₆N₂).

Пример. В 50 см³ воды растворяют 5,89 г (0,01 моль) К₃[Сr(NСS)₆]•4Н₂O и прибавляют раствор, содержащий 2,82 г (0,03 моль) 2-аминопиридина в 50 см³ воды. К полученной смеси при перемешивании прибавляют 5%-й раствор азотной кислоты до достижения рН 5. Получают мелкокристаллический сиреневый порошок, имеющий по данным химического анализа состав (C₅H₇N₂)₃[Cr(NCS)₆]•H₂O.

Найдено, %: Сr 7,39±0,08; С 35,78±0,12; Н 3,19±0,08; N 23,96±0,10; S 27,30±0,05.

Для (C₅H₇N₂)₃[Cr(NCS)₆] •H₂O вычислено, %: Сr 7,42; С 35,85; Н 3,27; N 23,90; S 27,31.

1. Растворимость в воде при 25^oС составляет 4,5•10³ моль/дм³. Комплекс хорошо растворим в этаноле, ацетоне, ацетонитриле, диметилформамиде.

2. Моноклинная сингония, пр.гр. С2/с, параметры решетки: а = 19,205(2); b = 9,6075(13); с = 17,745(2); α = γ = 90⁰; β = 101,352(10)^o; V = 3210,1 z = 4; ρ(выч.) = 1,456•10³ кг/м³. Молекулярная структура ионного типа, слоистая.

3. Температура плавления 110^oС; температура начала разложения 195^oС; температура максимальной скорости разложения 250^oС; температура термоперехода окраски 80^oС; характеристика изменения окраски: сиреневый <--> сине-зеленый.

Термохромный материал на основе моногидрата гекса(изотиоцианато)хромата (III) 2-аминопиридиния обладает обратимым термохромизмом при температуре 80^oС, нетоксичен, доступен в получении, легко наносится на подложку, образуя на ней тонкую термохромную пленку, что позволяет использовать его в качестве термохимического индикатора для визуального контроля температуры в различных технологических процессах.

ЛИТЕРАТУРА 1. Bloomquist D.R., Willet R.D.// Coord. Chem. Rev. 1982, 47, р. 125-164.

2. Day J.H. // Chem. Rev. 1968, 68, р. 649-657.

3. Беленький Е.Ф. и др. Химия и технология пигментов. - Л.: Химия, 1974, с. 628-630.

4. Shoi S., Larrabee J.A. // J. Chem. Educ. 1989, 66, р. 774-776.

5. Ferraro J.R., Fabbrizzi L., Paoletti P. // Inorg. Chem. 1977, 16, p. 2127.

6. Черкасова Т. Г., Татаринова Э.С., Кузнецова О.А., Трясунов Б.Г. Обратимые термохромные материалы. Патент РФ 097714, заявл. 3.02.95, опубл. 27.11.97.

Формула изобретения

Обратимый хромовый термоиндикатор на основе моногидрата комплекса гекса(изотиоцианато)хромата (III) 2-аминопиридиния, отличающийся тем, что он имеет обратимое изменение окраски при нагревании до 80^oС, а его состав характеризуется общей химической формулой (C₅H₇N₂)₃[Cr(NCS)₆]•Н₂O, где C₅H₇N₂ - катион 2-аминопиридиния.