ОБРАТИМЫЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ ЦВЕТОВОЙ ИНДИКАТОР
REVERSIBLE THERMOCHEMICAL COLOR INDICATOR

Изобретение относится к области химии, более конкретно - к новому обратимому термохимическому цветовому индикатору, и может быть использовано для индикации и визуального контроля температуры и температурных полей в различных технологических процессах.
Термохимические индикаторы в большинстве своем изготовлены 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 температуры. - М.: Энергия, 1978. С.10-12; Paruta L., Boldijar А. Термохромизм неорганических соединений // Rev. chim.,1987. V.38. No.l. P.26-29; Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. - Л. - Химия, 1991. С.112).
2
4
2
4
Термочувствительный пигмент Ag[HgI] изменяет окраску от желтой до темно-красной при 45°С, a Cu[HgI] - от карминово-красной до коричневой при 65°С. Изменение окраски координационных соединений связано с перестройкой кристаллической структуры (Беленький Е.Ф., Рискин И.В. Химия и технология пигментов. - М.: Химия, 1974. С.625). К недостаткам этих термохромных материалов относятся наличие токсичных соединений ртути и медленное разложение тетрайодомеркурат(II)-аниона во влажной атмосфере.
3
2
3
Обратимый термохромизм характерен для биметаллического комплекса цис-[Pt(NH)(SCN)Ag(SCN)]NO (Кукушкин Ю.Н., Бахарева С.И., Душин Р.Б. // Журн.неорган. химии. 1977. Т.22. №5. С.1419-1421). Серебро в этом соединении координационно не насыщено, поэтому возможно сшивание моноядерных комплексов в полимер. При температуре 134°С происходит превращение желтого комплекса в темно-красную модификацию. Недостатком данного термочувствительного материала является использование дорогих благородных металлов.
3
2
2
2
2
2
2
4
2
Термохромное превращение красной формы соединения [Cu((CHCH)NCHCHNH)](ClO) 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…Cl, которые обеспечивают жесткую структуру катиона в низкотемпературной форме (Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. - Л.: Химия, 1991. С.111). Недостатком данного вещества является использование токсичных веществ для его получения.
5
7
2
3
6
2
Термохромное вещество состава (CHN)[Cr(NCS)]⋅HO 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. 2167081 РФ // Обратимый хромовый термоиндикатор; заявл. 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.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
При нагревании красного изомера NiEn(NO), где En-1,2-диаминоэтан, до 120°С образуется синий изомер [NiEn(ON)]NO, содержащий одну хелатную и одну ионную группы NO (Hitchman M.A. James G. Природа синего изомера комплекса Ni(1,2-диаминоэтан)(NO) // Inorg. Chim. Acta. 1984. V.88. No.12. P. 19-21), то есть при нагревании происходит изменение строения вещества. Для синтеза комплекса требуются органические вещества, имеющие неприятный запах и являющиеся токсичными.
2
6
8
6
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому изобретению являются термохромные материалы [Ln(CHSO)][Cr(NCS)], где Ln-лантаноиды).В интервале температур 140-220°С соединения обратимо изменяют окраску от малиновой до темно-зеленой, что связано с процессами лигандного обмена между двумя координационными сферами при нагревании веществ (Черкасова Т.Г., Татаринова Э.С., Кузнецова О.А., Трясунов Б.Г. Патент РФ 2097714 // Обратимые термохромные материалы; заявл. 13.02.1995, опубл. 27.11.1997, бюл. №33). К недостаткам данных материалов можно отнести необходимость использования для их получения диметилсульфоксида, являющегося легколетучим органическим веществом с непрятным запахом.
Технический результат изобретения - создание нового обратимого термохимического цветового индикатора на основе дигидрата гекса(изотиоцианато)хромата(III)диакватрис(никотиновая кислота) тербия(III), обладающего способностью обратимо изменять окраску при нагревании до температуры 120°С, доступного в получении и удобного в применении на практике.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве исходных веществ используются гекса(изотиоцианато)хромат(III) калия и никотиновая кислота, выпускаемая промышленностью как недорогое лекарственное средство (витамин РР), что обусловливает ее невысокую стоимость и доступность.
Полученное вещество устойчиво при хранении, не токсично и не имеет запаха.
3
6
2
6
5
2
3
2
2
6
2
Пример. В 25 мл воды растворяют 0,45 г (0,001 моль) гексагидрата нитрата тербия(Ш), добавляют растворенную в 25 мл воды комплексную соль K[Cr(NCS)]⋅4HO в количестве 0,59 г (0,001 моль), затем в интервале рН 4-6 добавляют раствор, содержащий 0,3 7 г (0,003 моль) никотиновой кислоты в 50 мл воды. Выпадает мелкокристаллический осадок розового цвета. Вещество отфильтровывают и высушивают на воздухе. Выход около 75%. По результатам химического анализа полученное соединение имеет состав [Tb(CHNO)(HO)][Cr(NCS)]⋅2HO.
3
1. Растворимость в воде при 25°С составляет 3,0 моль/дм, хорошо растворим в диметилсульфоксиде и диметилформамиде.
-1
2. ИК-спектр (ν, см): 3445 с, 3084 ср., 2085 с, 1686 ср., 1636 с, 1585 оч.с, 1420 оч.с, 1183 сл., 835 сл., 760 с, 685 сл., 515 сл.
1
3
3. Кристаллы моноклинной сингонии, пр.гр. P2/n, Z=4, параметры решетки: а=9.5570(2), b=25.6299(7), с=15.4998 (4)  , β=106.808 (1)°, V=3634.40.
4. Температура начала разложения комплекса на воздухе 180°С, в инертной атмосфере гелия-195°С.
5. Характеристика изменения цвета при нагревании: обратимый переход из розового в темно-зеленый.
Термочувствительный материал на основе дигидрата гекса(изотиоцианато)хромата(III)диакватрис(никотиновая кислота) тербия(III) обладает обратимым термохромизмом при температуре 120°C с ярким изменением окраски, устойчив при хранении, термостабилен в условиях эксплуатации, не токсичен, несложен в получении, легко наносятся на подложки в виде тонких термохромных пленок и термочувствительных покрытий, обладающих долговечностью. Все это позволяет использовать его в качестве термохимического индикатора для визуального контроля температуры в технологических процессах.