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）」。
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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
- Wikipedia. (2022). Litmus. Wikipedia.
- Yee, Thomas. (2018). Why do acids turn litmus paper red? Quora.
- Warzecha, Klaus-Dieter. (2017). Can the colour change in litmus paper be explained by conjugated systems? Acid base.
- 台湾杰出女科学家系列专访，持续更新中！
