102學年度大學指考化學試題評析

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.

瑪麗亞．斯克沃多夫斯卡－居禮（Maria Skłodowska-Curie，1867－1934），看姓氏不難聯想到，她就是我們所熟知的居禮夫人。她開創了放射性理論，發明分離放射性同位素技術，以及發現兩種新元素，是第一位獲得諾貝爾獎的女性，也是首位獲得兩座獎項的學者，在科學上的貢獻對後世影響深遠。

艱難困苦的童年

瑪麗生於波蘭華沙的書香世家，排行老么，家中有布朗斯拉娃（二姐）與索菲亞（大姐）兩位姊姊。父親是一名中學老師兼理事，母親原為一名校長，祖父亦是位受人尊敬的數學與物理教師。

當時的波蘭已被俄羅斯帝國佔領，在沙皇的統治下，波蘭人民的生活處處受限，也影響了瑪麗一家的命運。瑪麗的父親因濃烈愛國精神而被俄國上司打壓，校方撤除了他的理事一職，並將他們全家趕出宿舍；加上雙親的家庭參與波蘭獨立民族起義，家中又遭遇投資失利，經濟頓時陷入困境。

隨後瑪麗一家搬進廉價的住所，父親為貼補家用便招收了多名寄宿生，平時除供應食宿外，從學校下班後還替他們補習來賺取更多收入。生活看似漸漸好轉，但遺憾的是，短短三年內瑪麗的大姐及母親皆因病去世。

因性別在求學路上受阻

天資聰穎的瑪麗亞自幼就是個相當用功的學生，尤其在數理方面更是表現亮眼；在她 15 歲那年，便以第一名的成績從女子文理學校畢業。

然而，因當時波蘭的正規高等院校拒收女性學生，波蘭女子若想繼續接受正規的大學教育，唯一一條路就是出國留學，但這對瑪麗家中的經濟條件而言，是筆相當大的開銷且難以負擔。

成績同樣優異的二姐曾想過前往巴黎學醫，夢想成為一名懸壺濟世的醫師，但礙於家中經濟狀況遲遲無法如願。瑪麗想幫姐姐盡早完成學業，決定先當家教來資助其學費，兩人也約定，待畢業後再協助瑪麗出國求學。在瑪麗的支持下，二姐終於得以前往巴黎一圓醫師夢。

爾後的幾年，瑪麗一面做著家教工作，一面自學，期間閱讀了大量化學相關書籍，也是在這時獲得了第一份實驗室工作機會，這消息對她相當振奮；儘管實驗室設備簡陋，但能把在書中讀到的知識親手實作就已心滿意足，此經歷也影響了她未來將走上科學研究這條路。晚年瑪麗回憶起這段的時光：

「就是因為這第一次的實驗室工作，使我肯定自己在實驗研究上的興趣。」

突破重重阻礙取得學位

1891 年，24 歲的瑪麗在進行實驗室工作的同時，也終於踏上留學路，前往巴黎大學修讀物理學。剛到巴黎的她人生地不熟，對語言不熟悉外，又因過往在波蘭所受的教育無法應付大學課程，初期學業表現遠遠不及同儕。瑪麗便在課業上下足功夫，閒暇時間也都泡在圖書館裡，終於皇天不負苦心人，靠著清晰的思維加上勤奮苦讀，成績漸漸有了起色。

1893 年瑪麗以第一名的佳績成功取得了物理學碩士學位，原先是想再取得一個數學學位，但此時她已將留學用的積蓄花光，也就放棄了這份念頭。幸運的是，在友人的協助下，華沙當局頒發給瑪麗海外優秀留學生「亞歷山大獎學金」，使她得以重返巴黎大學繼續深造，並在隔年順利取得第二個碩士學位。值得讚揚的是，在畢業的幾年後她將這份獎學金歸還給委員會，這舉動令人相當震驚，從未有任何一名學子歸還過，而瑪莉是第一位。

科學界的佳偶——居禮夫婦

學成後，瑪麗留在法國並開啟了她的科研生涯。當時為了能夠順利進行工作，正尋找著合適的實驗室；在同鄉物理學家約瑟夫．科瓦爾斯基介紹下，她結識了未來的丈夫，法國青年科學家——皮耶．居禮。對科學滿懷熱情的兩人情投意合，彼此欣賞著對方的個性及才華。

1894 年，瑪麗返回波蘭生活，原以為能在家鄉繼續從事喜愛的科研工作，然而波蘭的大學仍以性別為由將其拒絕。在皮耶的說服下，瑪麗回到巴黎並協助他完成了磁性研究，兩人也在同年結為連理。

當時總有人打趣得說：「皮耶最大的發現就是瑪麗」。

帶領科學邁向新篇章

婚後夫婦倆一面養育女兒，一面做科研。瑪麗首要目標就是取得博士學位，她選定了當時剛發現的Ｘ射線以及鈾射線作為研究主題。後續在研究鈾礦時，透過驗電器的測量結果，瑪麗推斷鈾礦必定含有其他活性比鈾大的物質，於是開啟了她尋找其他放射性物質之路。

皮耶對瑪麗亞的工作越來越感興趣，隨後也加入了太太的行列。他們用酸液分解研磨過的瀝青鈾礦，再用化學分析方法分離出瀝青礦中可能含有比鈾更具放射性的物質。不久後，成功從實驗裡發現了比鈾的活性高 300 倍的新元素。隨後居禮夫婦發表了一篇聯合署名論文，正式宣布以「釙」（Polonium）命名所發現的新元素，以紀念波蘭。

在發現釙之後不久，她從實驗中發覺似乎有更強烈的放射性物質，便認定這也許是另一個新元素，這時物理學家亨利．貝克勒也加入了居里夫婦的研究行列。他們終於找出這個放射性比鈾大 900 倍的物質，三人將新元素命名為「鐳」（radium），拉丁文意為「射線」，也在研究過程中創造出單詞「放射性」（radioactivity）。

在當時居禮夫婦聯合及單獨發表的 32 篇論文中，其中一篇就為：在鐳輻射下，病變或腫瘤細胞比健康細胞死得更快。可說是若沒有這份的研究成果，就不會有現在用來治療癌症的放射性療法了。

得來不易的諾貝爾獎

在一系列研究及發現後，1903 年瑪麗終於獲得巴黎大學物理博士學位。同年瑞典皇家科學院授予居禮夫婦及亨利．貝克勒諾貝爾物理學獎，起初委員會僅表彰皮耶和貝克勒，不過有位倡導女性科學家權利的委員通報並向上申訴，瑪麗亞才能獲得提名，成為了首位獲得諾貝爾獎的女性。

隨著瑪麗亞成功從金屬中提煉出鐳，1911 年瑞典皇家科學院授予她第二座諾貝爾獎（此次為化學獎），以表彰：「發現了鐳和釙元素，提煉純鐳並研究了這種引人注目的元素的性質及其化合物」。此次的獲獎肯定也使她能夠說服法國政府支持並建立鐳研究所，該研究所於 1914 年建成，研究領域涉及化學、物理、醫學等。

將自己毫無保留地貢獻給科學與社會

一戰期間瑪麗為協助戰地外科醫生，便在靠近前線的地方設立了戰地放射中心。她的身影穿梭在戰地醫院中，指導著 X 光裝置的組裝及使用，據估計，超過 100 萬受傷士兵受過她的流動式 X 光機治療。

在戰後的歲月裡，瑪麗亞將時間奉獻將所學與經驗傳授給學生，也包括許多遠從世界各地慕名而來的後進學者。在她的指導下，鐳研究所培育出了四位諾貝爾獎得主，女兒伊倫．約里奧－居禮及女婿弗雷德里克．約里奧－居禮也在其中。

1934 年，瑪麗亞因再生不良性貧血逝世於療養院，後世普遍認為是因長時間暴露於輻射中而造成的，當時科學上並未了解到游離輻射會對人體產生危害，也未開發任何防護措施。瑪麗亞的生活處處充滿放射性物質，幾十年間患上了多種慢性疾病，然而一直到去世，她從未意識到這會危及自己的健康甚至是生命。

瑪麗亞．斯克沃多夫斯卡－居禮一生不慕名利，奔波於科學研究、教育學子，將畢生毫無保留地貢獻給科學與社會。直到今日，世人仍持續讚賞她的付出與貢獻，紀念這位偉大的科學家。

參考資料：

1. 維基百科—瑪麗．居禮
2. 科學名人堂—居禮夫人
3. 居禮夫人：大家都聽過的科學家，與她充滿波折的人生和感情路
4. 科技大觀園—開啟輻射醫學大門的居禮夫人
5. 傑出的科學貢獻與多舛波折的人生：瑪麗．居禮誕辰｜科學史上的今天：11/7

被《紐約客》（The New Yorker）稱為「冰女」（Ice Woman）的科學家——瑪麗．恩格爾．彭寧頓（Mary Engle Pennington；1872－1952），是美國著名的細菌化學家，同時也是一名製冷工程師。

出生於田納西州的彭寧頓，出生後不久便舉家搬往賓州費城生活。彭寧頓的童年生活很豐富，她的父親熱衷於園藝，也鼓勵她一起協助栽種、熟悉各類植物；除植物外，周末彭寧頓會和母親逛市場，有時還會去農場挑選肉品，她便會在一旁觀察，也是在這時她注意到了，夏天滿是農產品的攤位，一到冬天卻什麼都沒有。

「女性」在化學這條路上受到的阻礙

十二歲時的小彭寧頓在圖書館找到了一本醫學化學教材，身為一個對書籍狂熱的閱讀者，努力吞下了對當時的她而言是非常艱澀的內容，她便察覺到，是那些肉眼看不到的化學元素構成了周遭的一切，甚至維持生命所需。

「突然，有一天，我意識到，儘管我無法觸摸、品嚐或聞到它們，但它們確實存在。這是一個里程碑，」彭寧頓說，「我領悟到了世界的真實性。」

這引起了彭寧頓的興趣，她便向私立女子學校的校長詢問，是否願意提供化學講座。由於當時科學被認定不是適合年輕女性的學科，因此校長感到震驚並拒絕了。不過高興的是，彭寧頓的家人非常支持她的新興趣。

十八歲的彭寧頓找到了賓州大學的科學學院院長，詢問是否能能提供就讀名額，在當時的院長與化學系教授支持男女同校下，她順利取得了入學允許。

1890 年，彭寧頓進入賓夕法尼亞大學攻讀化學，同時也輔修了植物與動物學，彭寧頓在短短兩年內完成了學士的學位要求，包括化學、植物學、動物學、細菌學。畢業時，彭寧頓是班上唯一的女性，但礙於當時賓大沒有授予女性學位，因此她僅能獲得修業證書，而不是像她的男性同學那樣獲得學位。

不過這並未澆熄彭寧頓的熱忱，彭寧頓無視所有對她的歧視，並繼續埋首於化學研究生涯，具有天賦的她，在短短三年內發表了一篇關於化學元素鈮（columbium）和鉭（Tantalum）的衍生物論文，靠著這份成就，也讓彭寧頓在 1895 年時，取得賓大的化學博士學位，這件事對當時（對現在應該也是 XD）而言堪稱壯舉，沒有學士學位，卻擁有了博士學位。

然而，對她，對一位女性科學家的偏見與歧視並未因此消失。

隨後彭寧頓很快就察覺，化學專業對女性從業者的偏見與在學術界時是相同的，儘管彭寧頓已經是加入美國化學學會的第三位女性，但大多數化學家，包括女性化學家，都認為應將她們的知識和技能應用於當時被認為更「女性化」的領域。

但彭寧頓堅持選擇純科學。

從純科學走向社會

之後，彭寧頓陸續在賓大擔任研究員，又在耶魯大學攻讀了生理化學，但她也不斷意識到，社會對於受過良好教育的女科學家認可及需求並不高，並開始思考著如何推廣她的科學工作。為此，她在費城創立了臨床實驗室，為醫生提供良好的實驗室資源，以利於進行準確的細菌學分析，而後也在賓夕法尼亞女子醫學院任教，教授生理化學，並指導該校的化學實驗室。

1906 年，彭寧頓被任命為新成立的費城衛生和細菌學實驗室主任。此時的彭寧頓也修改了目標，她希望能用科學來改善社會，而不是在只在實驗室裡專注於純科學。她任職後的第一份工作是：根除可能傳播致命疾病的不純牛奶。然而當時還沒有相關法規或標準，她考量到公眾對食品加工廠不衛生條件的擔憂，及製作過程中是否受到汙染，並建立起第一個全國通用的牛奶和乳製品檢驗及保存標準。

而後，彭寧頓成功地改善了食安問題，並在教育公眾了解食品中污染物的危害方面發揮了關鍵作用，與此同時也為她之後的製冷研究埋下了種子。

為製冷技術和食品保存奠下基礎

1907 年美國農業部（USDA）化學局（即為食品和藥物管理局 FDA 的前身）局長哈維·威利（Harvey W. Wiley）鼓勵她為政府研究食品冷藏保存的方法。

隔年威利任命彭寧頓擔任美國農業部化學局食品研究實驗室的負責人，這也讓她成為了化學局裡第一位女性實驗室負責人。

彭寧頓帶領研究員設計了食品工業的各個方面技術，如倉儲、包裝和配送等，該實驗室成為了食品處理及儲存研究的核心，特別是在防止雞蛋、家禽和魚類腐敗方面。

彭寧頓在參與冷藏車運輸研究的期間，開始對製冷機械產生興趣，並開始改良冷藏倉儲與推廣食物保存的相關知識。她對冷藏倉儲的改良十分出色，許多食品經銷商向她尋求建議，以製定完善的衛生程序，為她的專業知識贏得了尊重。

事蹟

彭寧頓於 1908 年作為美國官方代表，參加在巴黎舉行的第一屆國際製冷大會（她終生參與此會議）。作為唯一的女性代表，雖然她沒有發明製冷，但開發了確保冷藏食品保持新鮮和可食用的程序，並幫助建立了製冷行業，製冷也成了她的主要研究重點。

彭寧頓為許多科學和醫學期刊做出了貢獻，不僅是美國科學促進會、美國化學學會和生物化學家協會的成員，也是費城病理學會等多個學術學會的成員之一。

1920 年，她成為美國製冷工程師學會第一位女性會員，她積極參與了該組織的計劃、教育和出版委員會，1923 年彭寧頓被美國暖冷氣空調工程師學會（ASHRAE）認可為美國最重要的食品冷藏及家用製冷權威，1947 年成為美國製冷工程師協會的會員。

參考資料：

• Encyclopedia.com—Pennington, Mary Engle（1872–1952）
• 維基百科—Mary Engle Pennington