石蕊试纸的“石蕊”是什么东西?为什么遇到酸碱物质会变色?

相信很多朋友在化学生物课上做实验的时候都用到过一种叫做石蕊试纸的实验用品,它能够测试物质的酸碱度,遇到酸性物质就会变成红色,而遇到碱性物质就会变成蓝色。那么这个石蕊试纸中的“石蕊”到底是什么物质呢?

做实验常用到的石蕊试纸能够测量酸碱度
做实验常用到的石蕊试纸能够测量酸碱度

石蕊是什么?

石蕊是石蕊试纸当中会变色的原料,是由地衣提炼出来的。

地衣是真菌藻类的共生体: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。由于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,地衣的生命力强悍,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,为之后的生态系打下基础。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。

石蕊实际上是一种地衣
石蕊实际上是一种地衣

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,属于枝状地衣,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,就像戴着红色帽子的英国士兵,因此又称为“英国士兵地衣”。虽然石蕊试纸是称为石蕊试纸,但其实许多类群的地衣都可以作为石蕊试纸的原料,反倒是石蕊本人较不常被作为石蕊试纸使用。

那么,石蕊试纸变色的原理是什么呢?要解答这个问题,我们必须先了解“颜色”和“酸碱”的本质。

“颜色”是什么?

为什么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。

那么,为什么不同物体会吸收、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。

“酸碱”是什么?

知道了“颜色”本质上的差别是什么,现在,我们要来谈谈什么是“酸碱”?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–),那个溶液就会呈现碱性,氢氧根越多,pH值就越大、也就越偏碱性。

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-羟基吩噁嗪酮”(分子化学式是C12H8NNaO2),是石蕊试纸变色的关键。C12H8NNaO2是由三个环状结构所组成的,带有一个羟基(下图中的HO-)。

7-羟基吩恶嗪酮的化学结构式
7-羟基吩恶嗪酮的化学结构式

还记得前面说到的,酸性溶液含有氢离子,碱性溶液含有氢氧根吗?

当C12H8NNaO2遇到酸性溶液时,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C12H8NNaO2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。这两种结构的改变如下图所示。

C12H8NNaO2酸碱度测量变化
C12H8NNaO2酸碱度测量变化

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C12H8NNaO2,会反射红光,吸收其他的光;失去一个氢离子的C12H8NNaO2,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:酸碱溶液会改变C12H8NNaO2的结构,当石蕊试纸中的C12H8NNaO2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,就知道它为什么会变色了!

知道为啥石蕊试纸能够测量物质酸碱度了吧
知道为啥石蕊试纸能够测量物质酸碱度了吧

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