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“遇酸变红,遇碱变蓝”,这是一句几乎每一个理科生都熟记于心的化学顺口溜,指的就是石蕊试纸的特性。

石蕊试纸能够用于检测酸碱性,蓝色的石蕊试纸遇到酸性物质就会变成红色,红色的石蕊试纸遇到碱性物质则会变成蓝色。

但是你曾经是否有过疑问:它为什么叫做“石蕊试纸”呢?“石蕊”又是什么?为什么会变色?

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其实“石蕊”,在生物学层面,是一类石蕊科地衣的名称,在化学层面,指的是一种从地衣中提取的混合物,因最初从石蕊科地衣中提取到而命名为“石蕊”。

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生物学中,物种以域、界、门、纲、目、科、属、种这几个层级来分类。石蕊就是地衣大家庭中的一员,指的是石蕊科(Cladoniaceae)地衣。

有的石蕊科地衣呈直立丛生分枝状,顶端有一个个形似果实的子囊盘,比如顶端是鲜艳的红色的红头石蕊(Cladonia floerkeana)和顶端是黑色的大柱衣(Pilophorus acicularis),这两种石蕊科地衣也都因其十分像立在地上的一根根火柴,被形象地称为“魔鬼的火柴”。

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左:红头石蕊 Cladonia floerkeana右:大柱衣 Pilophorus acicularis

也有些石蕊形似一丛丛迷你灌木,比如鹿石蕊(Cladonia rangiferina),也叫做驯鹿地衣。

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鹿石蕊 Cladonia rangiferina

还有的石蕊形状颇为奇特,整体呈圆柱状,顶端却膨大为喇叭状,像是精灵森林里的神奇植物,比如喇叭石蕊(Cladonia pyxidata)。

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喇叭石蕊 Cladonia pyxidata

这些石蕊科地衣,除了外形奇特可爱,在化学领域也有重要作用。从石蕊科地衣中提取到的同样名为“石蕊”的化学物质,有遇到酸会变红,遇到碱会变蓝的特性,可以用于制作酸碱指示剂,应用于化学领域。

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在化学中,石蕊是一种化学物质,是从地衣中提取的不同染料的水溶性混合物,英文中叫做“Litmus”。

这个单词源自古挪威语 “litmose”,“lit”是染料,“mose”是苔藓,结合起来的字面意思就是“用于染色的苔藓”,可以看出古挪威人大概是把石蕊地衣误认为是一种苔藓了。

石蕊中的一种化学物质7-羟基吩嗪酮(7-hydroxyphenoxazone),化学式为C12H7NO3,是石蕊试纸能够检测酸碱的关键。

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7-羟基吩嗪酮结构变化示意图

当C12H7NO3遇到酸性溶液时,溶液中的氢离子(H+)会键结到环状结构的氮(N)上面,造成结构改变;而当C12H7NO3遇到碱性溶液时,羟基上的氢则会被溶液中的氢氧根(OH-)抢走,造成结构改变。而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。

酸碱溶液改变了石蕊试纸中C12H7NO3的结构,使其吸收、反射的光的波长发生改变,呈现出不同的颜色。这就是石蕊试纸变色的原理。

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蓝色、红色、紫色石蕊试纸检测酸性、碱性、中性溶液

但要注意的是石蕊试纸只能粗略地检测酸碱性,有红色、蓝色、紫色三种。以石蕊试纸为雏形改进的pH试纸,则能够进一步给出酸碱的大概数值。pH试纸本身多为浅黄色,试纸上有甲基红、溴甲酚绿、百里酚蓝这三种指示剂,颜色变化的范围更加广泛。

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pH试纸颜色变化范围

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约在 1300 年,最早由西班牙医师阿纳尔德斯·德·维拉·诺瓦(Arnaldus de Villa Nova)就开始使用石蕊来研究酸和碱。

在17世纪的某年夏天,英国著名化学家波义耳(Robert Boyle)的实验室里,还放着几朵因思念去世的女友而随身携带的紫罗兰。

但是意外却发生了,因操作不当,一滴浓盐酸溅到了紫罗兰上。但是波义耳发现,这朵花奇迹般地由紫色变成了红色,这个奇怪的现象勾起了他的探索欲,于是进行了一系列花草与酸碱相互作用的实验。

由此波义耳发现,大部分的花草遇到酸碱都会变色。其中又属从某种石蕊地衣中提取的紫色溶液变色最为明显,且遇酸变红,遇碱变蓝,波义耳利用这种特性,用石蕊提取液浸湿纸张,烤干之后就制成了石蕊试纸。

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有多种石蕊科地衣都能够提取石蕊试剂,比如鳞片石蕊(Cladonia squamosa)、喇叭石蕊(Cladonia pyxidata)等。

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鳞片石蕊 Cladonia squamosa

但虽然石蕊试纸是称为“石蕊”试纸,但其实其他的地衣也可以提取到石蕊试剂,比如Roccella montagnei和Dendrographa leucophaea等。

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Roccella montagnei

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Dendrographa leucophaea

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在英语的语境中,石蕊测试“litmus test”还有着另一重含义——试金石。这种用法也是基于化学中石蕊测试的隐喻。

在化学里,通过石蕊可以测试出溶液的酸碱性,在政治上,则是测试候选人能否胜任某个高级职位。试金石可以是一个向潜在的高级职位候选人提出的问题,该问题的回答将决定该候选人是否会继续被任命或提名。

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设计师以这种双重含义为灵感,制作了《LITMUS》。将可持续发展相关的问题当作“试金石”,对超过350名设计师进行采访,以此来调查设计师是如何看待设计中的可持续性。

经过结果统计,约87%的设计师认为可持续设计正在流行,但只有 59% 的设计师认为自己了解该领域。将一系列的统计结果制作成柱状图,模仿石蕊试纸的美学形式印刷成册。

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石蕊地衣原料难以采集,石蕊试纸的制作方法也十分复杂。若想制作自己的酸碱指示剂则可以用花青素来替代。花青素可溶于水,遇到酸性物质变为红色,遇到碱性溶液则变成黄绿色。

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紫甘蓝制作的酸碱指示剂颜色变化范围

紫甘蓝是我们日常较容易获得的原材料,同时富含花青素。用紫甘蓝汁给一块布料染色并晾晒。然后就可以用醋、小苏打、清洁剂、酸性果汁等等等在厨房就能找到的­­­酸碱溶液在织物上作画了。

当这些酸和碱扩散到织物中时,颜色会以一种美丽的方式混合在一起,十分类似水墨晕染的效果。

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我们在上一篇文章(编者注:没有陈尿,我们居然还用不起紫色…)中介绍了地衣可以制造染料,染出丰富的色彩。在本篇文章中可以了解到,在科学方面,从地衣中提取的石蕊试剂又能够辅助科学家们进行实验、创造。地衣的用途如此广泛,还有更多等待我们去发掘。

参考文献

[1] Litmus Paper, Encyclopedia.com

[2]Litmus Paper and the Litmus Test, Anne Helmenstine

[3]Red Cabbage Acid-Base Indicator Artwork, Craftiments.com

[4]National Library of Medicine

[5]中国生物多样性红色名录—大型真菌卷

本文经授权转载自微信公众号“as科学艺术研究中心”,原标题为《化学老师没讲过的故事》。

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