Обратимый хромсодержащий термоиндикатор

Изобретение относится к новому обратимому термочувствительному материалу и может быть использовано для визуального контроля температуры в различных технологических процессах. Техническим результатом является доступность и простота получения нового обратимого термохромного материала, способного изменить окраску при нагревании, и удобное использование на практике. Сущность изобретения заключается в создании термоиндикатора на основе три(капролактам)сольвата гекса(изотиоцианато)хромата(III) трис(ε-капролактамия), обратимо изменяющего окраску при нагревании до 85°С.

 

Изобретение относится к области химии, в частности к новому обратимому термочувствительному материалу, и может быть использовано для визуального контроля температуры в различных технологических процессах. Большинство известных обратимых термочувствительных материалов изготовлено на основе координационных соединений d-элементов (Day J.H. // Chem. Rew., 1968, v.68, p.649-657; Bloomquist D.R., Willet R.D. // Coord. chem. Rew. 1982, v.47, N 1, 2, p.125; Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. - Л.: Химия, 1991, с.112-113).

Тетрахлорокупрат(II) бис-(диэтиламмония) [(CH₃CH₂)₂NH₂]₂CuCl₄ обладает термохромными свойствами и при температуре 45°С изменяет окраску от ярко-зеленой до желтой. Изменение окраски обусловлено структурной изомеризацией комплекса из плоскоквадратного в тетраэдрический (Shoi S., Larrabee J.A. // J.Chem. Educ. 1989, v.66, N 9, p.774-776). Искажение геометрии галогенокупратного CuCl₂ ^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.

Термочувствительный пигмент Ag₂[HgI₄] изменяет окраску от желтой до темно-коричневой при 45°С, a Cu₂[HgI₄] - от карминово-красной до коричневой при 65°С. Изменение окраски этих координационных соединений связано с перестройкой кристаллической структуры (Беленький Е.Ф. и др. Химия и технология пигментов. - Л.: Химия, 1974, с.628-630). К недостаткам этих термохромных материалов относятся наличие токсичных соединений ртути и медленное разложение тетрайодомеркурат(II)-аниона во влажной атмосфере.

Термохромное превращение красной формы соединения [Cu((CH₃CH₂)₂NCH₂CH₂NH₂)₂](ClO₄)₂ в сине-фиолетовую при 80°С 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 (Ferraro J.R., Fabbrizzi L., Paoletti P. // Inorg. Chem. 1977, v.16, p.2127-2129). Недостатком этого термохромного материала является наличие в его составе органического лиганда, который в настоящее время не выпускается промышленностью.

Установлено, что при нагревании красного изомера NiEn₂(NO₂)₂, где En - 1,2-диаминоэтан, до 120°С образуется синий изомер [NiEn₂(O₂N)]NO₂, содержащий одну хелатную и одну ионную группы NO₂ ^- (Hitchman M.A., James G. // Inorg. Chim. Acta. 1984, v.88. N 12. p.19-21), т.е. при нагревании происходит изменение строения вещества. Этот термохромный материал имеет тот же недостаток, что и вышеописанный.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является термохромный материал состава (С₅Н₇N₂)[Cr(NCS)₆]·Н₂O, обратимо изменяющий окраску при нагревании до 80°С вследствие искажения структуры хромофора в результате полиморфного превращения низкотемпературной модификации в высокотемпературную [8] (Мезенцев К.В., Черкасова Т.Г. Обратимый хромовый термоиндикатор. Патент РФ №2187081, заявл. 11.03.2001, опубл. 10.08.2002). Недостатком этого термохромного материала является необходимость специального синтеза 2-аминопиридина, который не выпускается промышленностью и является токсичным.

Цель изобретения - создание нового обратимого термохромного материала на основе три(капролактам)сольвата гекса(изотиоцианато)хромата(III) трис(ε-капролактамия), обладающего способностью обратимо изменять окраску при нагревании до 85°С, доступного в получении и удобного в применении на практике. Это достигается использованием в качестве исходных веществ гекса(изотиоцианато)хромата(III) калия и ε-капролактама, являющегося крупнотоннажным продуктом химической промышленности, что обусловливает его невысокую стоимость и доступность.

Пример. В 50 мл воды растворяют 5,89 г (0,01 моль) К₃[Cr(NCS)₆]·4Н₂O и добавляют предварительно подкисленный до рН 3 раствор, содержащий 6,79 г (0,06 моль) ε-капролактама в 50 мл воды. Получают сиреневый мелкокристаллический порошок, имеющий по данным химического анализа состав (С₆Н₁₄NO)₃[Cr(NCS)₆]·3(С₆Н₁₃NO).

Найдено, %: Cr 4,72±0,07; С 46,52±0,10; Н 6,34±0,08; NCS 32,14±0,06.

Для С₄₂Н₆₉CrN₁₂O₆S₆ вычислено, %: Cr 4,80; С 46,60; Н 6,42; NCS 32,20.

1. Растворимость в воде при 25°С составляет 2·10^-2 моль/дм³, хорошо растворим в диметилсульфоксиде, диметилформамиде.

2. Триклинная сингония, пр. гр. , параметры решетки: а=11,1784(9); b=11,3196(7); с=12,580(2)Å; α=109,347(5)°; β=106,304(5)°; γ=102,025(4)°; V=1359,3(2)ų; z=1; ρ(выч)=1,322 г/см³. Структура соединения относится к ионному островному типу.

3. Температура плавления 115°С, температура начала разложения 120°С, температура термоперехода окраски 85°С.

4. Характеристика изменения окраски: бледно-сиреневый ↔ темно-зеленый.

Термохромный материал на основе три(капролактам)сольвата гекса(изотиоцианато)хромата(III) трис(ε-капролактамия) обладает обратимым термохромизмом при температуре 85°С, нетоксичен, доступен, прост в получении, легко наносится на подложку в виде тонкой термохромной пленки, что позволяет использовать его в качестве термохимического индикатора для визуального контроля температуры в различных технологических процессах.

Обратимый хромсодержащий термоиндикатор на основе три(капролактам)сольвата гекса(изотиоцианато)хромата(III) трис(ε-капролактамия), отличающийся тем, что он имеет обратимое изменение окраски при нагревании до 85°С, а состав его характеризуется химической формулой (С₆Н₁₄NO)₃[Cr(NCS)₆]·3(С₆Н₁₃NO), где (С₆Н₁₄NO)⁺ - катион ε-капролактамия.