石蕊试纸的「石蕊」是什麽东西?为什麽碰到酸硷会变色?

国中、国小自然课做实验常用的石蕊试纸,大家应该都很熟悉,也知道石蕊试纸碰到酸性物质时会变成红色,碰到硷性物质时会变成蓝色。不过,你知道石蕊试纸变色的原理是什麽吗?

「石蕊」是什麽?

石蕊试纸当中会变色的原料,是由一群叫「石蕊」的地衣提炼出来的。

地衣是真菌和藻类的共生体:真菌形成外壳,提供藻类保护;藻类行光合作用,提供真菌养分。虽然长得有点像苔藓,不过它们并不是植物。

由於地衣对空气中的化学成分很敏感,常被当作空气污染的指标。除此之外,地衣的生命力强韧,它们通常都是一片荒芜的环境中的先驱,在植物长出来之前,地衣就会先一步到达,把岩石分解成土壤,为之後的生态系打下基础。在严寒的极地,地衣也是驯鹿等野生动物度冬重要的食物来源。

而其中,「石蕊」就是石蕊科(Cladoniaceae)、石蕊属(Cladonia)的地衣。它们生长在中高海拔向阳的岩石上,属於枝状地衣,形状就像一支支直立起来的粉绿色小喇叭。有些种类的石蕊边上会长出鲜红色的繁殖构造子囊果(ascocarp),就像戴着红色帽子的英国士兵,因此又称为「英国士兵地衣(British Soldier Lichen)」。

延伸阅读:十种常见的地衣

那麽,石蕊试纸变色的原理是什麽呢?要解答这个问题,我们必须先了解「颜色」和「酸硷」的本质。

「颜色」是什麽?

为什麽我们看到红色的东西,会觉得它是红色;而看到蓝色的东西,会觉得它是蓝色呢?

这是因为,不同的物体会吸收、反射不同波长的光,当光照到物体上,没有被吸收、而是被物体反射的光波,传到我们的眼睛里面,就会被大脑解读为颜色。

例如,假如一个物体反射红光,吸收其他波长的光,那个物体我们在白光下看起来就会是红色的。另外,如果一个物体吸收所有光的波长,那个物体我们在白光下看起来就会是黑色的;反之,如果那个物体反射所有光的波长,那个物体我们在白光下看起来就会是白色的。

那麽,为什麽不同物体会吸收、反射不同波长的光?这是因为它们的化学结构长得不一样。换句话说,一个物体的化学结构若是改变了,吸收、反射的光波长也会跟着改变,外显的颜色也就会变得不一样了。

「酸硷」是什麽?

知道了「颜色」本质上的差别是什麽,现在,我们要来谈谈什麽是「酸硷」?溶液中,如果含有氢离子(H+),那这个溶液就会呈现酸性,溶液中的氢离子越多,pH 值就越小、越偏酸性;而溶液中如果含有氢氧根(OH),那个溶液就会呈现硷性,氢氧根越多,pH值就越大、也就越偏硷性。

回到石蕊试纸

现在回到石蕊试纸上面。石蕊中含有一种化学物质「 7-羟基吩恶嗪酮」(7-hydroxyphenoxazone,以下以 C7H7O4N 代称。),是石蕊试纸变色的关键。C7H7O4N 是由三个环状结构所组成的,带有一个羟基(下图中的HO-)。

还记得前面说到的,酸性溶液含有氢离子,硷性溶液含有氢氧根吗?

当 C7H7O4N 碰到酸性溶液时,溶液中的氢离子会键结到环状结构的氮(上图中的 N)上面,造成结构改变;而当C7H7O4N 碰到硷性溶液时,羟基上的氢则会被溶液中的氢氧根(OH)抢走,造成结构改变。这两种结构的改变如下图所示。

正如前面所说的,不同结构的化学物质,会吸收、反射不同波长的光,因此看起来颜色就会不同。得到一个氢离子的 C7H7O4N,会反射红光,吸收其他的光;失去一个氢离子的 C7H7O4N,则会反射蓝光,吸收其他的光。

因此,石蕊试纸会变色的原因就是:酸硷溶液会改变 C7H7O4N 的结构,当石蕊试纸中的 C7H7O4N 结构改变了,会吸收、反射的光波长也改变了,颜色也因此看起来不一样了。

现在大家都了解石蕊试纸变色的原理了,下回使用石蕊试纸时,就知道它为什麽会变色罗!

参考资料

  1. Wikipedia. (2022). Litmus. Wikipedia.
  2. Yee, Thomas. (2018). Why do acids turn litmus paper red? Quora. 
  3. Warzecha, Klaus-Dieter. (2017). Can the colour change in litmus paper be explained by conjugated systems? Acid base.

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