石蕊試紙的「石蕊」是什麼東西？為什麼碰到酸鹼會變色？

國中、國小自然課做實驗常用的石蕊試紙，大家應該都很熟悉，也知道石蕊試紙碰到酸性物質時會變成紅色，碰到鹼性物質時會變成藍色。不過，你知道石蕊試紙變色的原理是什麼嗎？

「石蕊」是什麼？

編按：作者於 2022 年 3 月 27 日進行勘誤。

石蕊試紙當中會變色的原料，是由地衣提煉出來的。

地衣是真菌和藻類的共生體：真菌形成外殼，提供藻類保護；藻類行光合作用，提供真菌養分。雖然長得有點像苔蘚，不過它們並不是植物。由於地衣對空氣中的化學成分很敏感，常被當作空氣汙染的指標。除此之外，地衣的生命力強韌，它們通常都是一片荒蕪的環境中的先驅，在植物長出來之前，地衣就會先一步到達，把岩石分解成土壤，為之後的生態系打下基礎。在嚴寒的極地，地衣也是馴鹿等野生動物度冬重要的食物來源。

而其中，「石蕊」就是石蕊科（Cladoniaceae）、石蕊屬（Cladonia）的地衣。它們生長在中高海拔向陽的岩石上，屬於枝狀地衣，形狀就像一支支直立起來的粉綠色小喇叭。有些種類的石蕊邊上會長出鮮紅色的繁殖構造子囊果（ascocarp），就像戴著紅色帽子的英國士兵，因此又稱為「英國士兵地衣（British Soldier Lichen）」。雖然石蕊試紙是稱為石蕊試紙，但其實許多類群的地衣都可以作為石蕊試紙的原料，反倒是石蕊本人較不常被作為石蕊試紙使用。

延伸閱讀：十種常見的地衣

那麼，石蕊試紙變色的原理是什麼呢？要解答這個問題，我們必須先了解「顏色」和「酸鹼」的本質。

「顏色」是什麼？

為什麼我們看到紅色的東西，會覺得它是紅色；而看到藍色的東西，會覺得它是藍色呢？

這是因為，不同的物體會吸收、反射不同波長的光，當光照到物體上，沒有被吸收、而是被物體反射的光波，傳到我們的眼睛裡面，就會被大腦解讀為顏色。

例如，假如一個物體反射紅光，吸收其他波長的光，那個物體我們在白光下看起來就會是紅色的。另外，如果一個物體吸收所有光的波長，那個物體我們在白光下看起來就會是黑色的；反之，如果那個物體反射所有光的波長，那個物體我們在白光下看起來就會是白色的。

那麼，為什麼不同物體會吸收、反射不同波長的光？這是因為它們的化學結構長得不一樣。換句話說，一個物體的化學結構若是改變了，吸收、反射的光波長也會跟著改變，外顯的顏色也就會變得不一樣了。

「酸鹼」是什麼？

知道了「顏色」本質上的差別是什麼，現在，我們要來談談什麼是「酸鹼」？溶液中，如果含有氫離子（H⁺），那這個溶液就會呈現酸性，溶液中的氫離子越多，pH 值就越小、越偏酸性；而溶液中如果含有氫氧根（OH^–），那個溶液就會呈現鹼性，氫氧根越多，pH值就越大、也就越偏鹼性。

回到石蕊試紙

現在回到石蕊試紙上面。石蕊中含有一種化學物質「 7-羥基吩噁嗪酮」（7-hydroxyphenoxazone，以下以 C₁₂H₇NO₃ 代稱。），是石蕊試紙變色的關鍵。C₁₂H₇NO₃ 是由三個環狀結構所組成的，帶有一個羥基（下圖中的HO-）。

還記得前面說到的，酸性溶液含有氫離子，鹼性溶液含有氫氧根嗎？

當 C₁₂H₇NO₃ 碰到酸性溶液時，溶液中的氫離子會鍵結到環狀結構的氮（上圖中的 N）上面，造成結構改變；而當 C₁₂H₇NO₃ 碰到鹼性溶液時，羥基上的氫則會被溶液中的氫氧根（OH^–）搶走，造成結構改變。這兩種結構的改變如下圖所示。

正如前面所說的，不同結構的化學物質，會吸收、反射不同波長的光，因此看起來顏色就會不同。得到一個氫離子的 C₁₂H₇NO₃，會反射紅光，吸收其他的光；失去一個氫離子的 C₁₂H₇NO₃，則會反射藍光，吸收其他的光。

因此，石蕊試紙會變色的原因就是：酸鹼溶液會改變 C₁₂H₇NO₃ 的結構，當石蕊試紙中的 C₁₂H₇NO₃ 結構改變了，會吸收、反射的光波長也改變了，顏色也因此看起來不一樣了。

現在大家都了解石蕊試紙變色的原理了，下回使用石蕊試紙時，就知道它為什麼會變色囉！

參考資料

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.