Биметаллический цветовой индикатор температуры

Изобретение относится к биметаллическому цветовому индикатору температуры, имеющему обратимое изменение окраски в интервале температур 190-195°С. Состав индикатора характеризуется химической формулой [Y(ε-C₆H₁₁NO)₈][Cr(NCS)₆]. Технический результат - получение биметаллического цветового индикатора температуры, обладающего способностью обратимо изменять окраску при нагревании до 190-195°С.

 

Изобретение относится к области химии, в частности к новому обратимому термочувствительному материалу, и может быть использовано для индикации и визуального контроля температуры в различных технологических процессах. Большинство известных термохимических индикаторов изготовлено на основе координационных соединений переходных металлов (Кукушкин Ю.Н. Химия координационных соединений. - М.: Высш. шк., 1985. С.428-429; Абрамович В.Г., Картавцев В.Ф. Цветовые индикаторы. - М.: Энергия, 1978. С.10-12; Paruta L., Boldijar A. // Rev. chim, 1987. V. 38. №1. P.26-29; Bloomqust D.R, Willet R.D. // Coord. chem. Rew. 1982. V.47. № 1, 2. P.125).

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 эндотермичен и имеет все признаки фазового перехода: он обратим и протекает при фиксированной температуре. Установлено, что в процессе фазового перехода уменьшается прочность водородных связей NH…C1, которые обеспечивают жесткую структуру катиона в низкотемпературной форме (Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. - Л.: - Химия, 1991. С.112).

Термочувствительный пигмент Ag₂[HgI₄] изменяет окраску от желтой до темно-красной при 45°С, a Cu₂[HgI₄] - от карминово-красной до коричневой при 65°С. Изменение окраски координационных соединений связано с перестройкой кристаллической структуры (Беленький Е.Ф. Химия и технология пигментов / Е.Ф.Беленький, И.В.Рискин. - М.: Химия, 1974. С.625). К недостаткам этих термохромных материалов относятся наличие токсичных соединений ртути и медленное разложение тетрайодомеркурат(II)-аниона во влажной атмосфере.

Обратимый термохромизм характерен для биметаллического комплекса цис-[Pt(NH₃)₂(SCN)Ag(SCN)]NO₃ (Кукушкин Ю.Н., Бахарева С.И., Душин Р.Б. // Журн. неорган, химии. 1977. Т.22. №5. С.1419-1421). Серебро в этом соединении координационно ненасыщено, поэтому возможно сшивание моноядерных комплексов в полимер. При температуре 134°С происходит превращение желтого комплекса в темно-красную модификацию.

При нагревании красного изомера NiEn₂(NO₂)₂, где Еn-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. №. 12. P.19-21), то есть при нагревании происходит изменение строения вещества.

Тетрахлорокупрат(II) бис-(диэтиламмония) [(CH₃CH₂)₂NH₂]₂CuCl₄ обладает термохромными свойствами, при температуре 45°С изменяет окраску от ярко-зеленой до желтой. Изменение окраски обусловлено структурной изомеризацией комплекса из плоскоквадратного в тетраэдрический (Choi S. Термохромный тетрахлорокупрат (II) // S.Choi, J.A.Larrabee // J. Chem. Educ. 1989. V.66. №.9. P.774-776). Искажение геометрии галогенокупратного аниона CuCl₄ ^2- является результатом термодинамического перехода стерически затруденной 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 вещество состава (С₅Н₇N₂)₃[Сr(NCS)₆]·Н₂O обратимо изменяет окраску при нагревании до 80°С из сиреневой в сине-зеленую вследствие искажения структуры хромофора из-за полиморфного превращения низкотемпературной модификации в высокотемпературную (Мезенцев К.В., Черкасова Т.Г. Пат. // Обратимый хромовый термоиндикатор №2187081 РФ заявка №2001106739/28; заявлено 11.03.2001, опубл. 10.08.2002, бюл. №22). Недостатком этого термохромного материала является необходимость специального синтеза 2-аминопиридина, который не выпускается промышленностью и является токсичным.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому изобретению являются термохромные материалы [Ln(С₂Н₆SO)₈][Сr(NCS)₆] (Ln - 4f-элементы), обратимо изменяющие окраску в интервале температур 140-220°С вследствие термической координационной изомерии, связанной с обменом лигандами между координационными сферами комплексов (Черкасова Т.Г., Татаринова Э.С., Кузнецова О.А., Трясунов Б.Г. Обратимые термохромные материалы. Патент РФ №2097714, заявл. 13.02.1995 г., опубл. 27.11.1997 г.). Недостатком этих термохромных материалов является необходимость использования для их синтеза диметилсульфоксида - легколетучего органического вещества с неприятным запахом.

Технический результат изобретения - создание нового обратимого термохромного материала на основе гекса(изотиоцианато)хромата(III) окта(ε-капролактам)иттрия(III), обладающего способностью обратимо изменять окраску при нагревании до 190-195°С, доступного в получении и удобного в применении на практике.

Указанный технический результат достигается тем, что биметаллический цветовой индикатор температуры имеет обратимое изменение окраски в интервале температур 190-195°С, а его состав характеризуется химической формулой [Y(ε-С₆Н₁₁NO)₈][Cr(NCS)₆].

В заявляемом техническом решении в качестве исходных веществ используются гекса(изотиоцианато)хромат(III) калия и ε-капролактам, являющийся крупнотоннажным продуктом химической промышленности, что обусловливает его невысокую стоимость и, соответственно, доступность. Вещество негигроскопично, не разлагается во влажной атмосфере, не токсично и не имеет запаха.

Пример. В 25 мл воды растворяют 0,38 г (0,01 моль) Y(NО₃)₃·4Н₂O, добавляют растворенные в 25 мл воды 0,59 г (0,001 моль) K₃[Cr(NCS)₆]·4Н₂O и при рН 5-6 добавляют раствор, содержащий 0,92 г (0,008 моль) ε-С₆Н₁₁NO) в 25 мл воды. Получают бледно-сиреневый кристаллический порошок, имеющий по данным химического анализа состав [Y(ε-C₆H₁₁NO)₈][Cr(NCS)₆].

Найдено, %: Y 6,25±0,06; Сr 3,62±0,07; С 46,45±0,05; Н 6,22±0,07; NCS 24,91±0,06.

Для C₅₄H₈₈CrN₁₄O₈S₆Y вычислено, %: Y 6,37; Сr 3,73; С 46,53; Н 6,31; NCS 25,00.

1. Растворимость в воде при 25°С составляет 2,3-10^-2 моль/дм³; хорошо растворим в диметилсульфоксиде, диметилформамиде.

2. Моноклинная сингония, пр. гр. С2/с, параметры решетки: а=39,704(9), b=22,384(6), с=23,596(6)Å; β=107,588(8)°; V=7648,6(5) ų; z=12, ρ_(выч.)=1,390 г/см³. Структура соединения относится к ионной.

3. Температура начала разложения комплекса на воздухе 256°С, в инертной атмосфере гелия - 242°С.

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

Термочувствительный материал на основе гекса(изотиоцианато)хромата(III) окта(ε-капролактам)иттрия(III) обладает обратимым термохромизмом при температуре 190-195°С, нетоксичен, несложен в получении, легко наносится на подложки в виде тонких термохромных пленок, что позволяет использовать его в качестве термохимического индикатора для визуального контроля температуры в различных технологических процессах.

Биметаллический цветовой индикатор температуры, имеющий обратимое изменение окраски в интервале температур 190-195°С, а его состав характеризуется химической формулой [Y(ε-C₆H₁₁NO)₈][Cr(NCS)₆].