化學(xué)老師沒講過的故事

生物學(xué)里的石蕊

在生物學(xué)中，物種以域、界、門、綱、目、科、屬、種這幾個層級來分類。石蕊是地衣大家庭中的一員，指的是石蕊科地衣。

有的石蕊科地衣呈直立叢生分枝狀，頂端有一個個形似果實的子囊盤，比如頂端為紅色子囊盤的紅頭石蕊和頂端為黑色子囊盤的大柱衣。這兩種石蕊科地衣因形似立在地上的一根根火柴而被形象地稱為“魔鬼的火柴”。有些石蕊形似一叢叢迷你灌木，比如鹿石蕊，也叫作馴鹿地衣。還有一種石蕊的形狀頗為奇特，比如喇叭石蕊，整體呈圓柱狀，頂端卻為喇叭狀。

這些石蕊科地衣不僅外形奇特可愛，在化學(xué)領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。從石蕊科地衣中提取到的名為“石蕊”的化學(xué)物質(zhì)，有遇到酸會變紅、遇到堿會變藍(lán)的特性，可以用于制作酸堿指示劑，被應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域。

化學(xué)里的石蕊

在化學(xué)領(lǐng)域中，石蕊是一種化學(xué)物質(zhì)，是從地衣中提取的不同染料的水溶性混合物，英文名稱為“l(fā)itmus”。這個單詞源自古挪威語“l(fā)itmose”，“l(fā)it”是染料，“mose”是苔蘚，結(jié)合起來的字面意思就是“用于染色的苔蘚”。由此來看，古挪威人大概把石蕊地衣誤認(rèn)為是一種苔蘚了。

石蕊中的化學(xué)物質(zhì)7-羥基吩嗪酮，化學(xué)式為C12H7NO3，是石蕊試紙能夠檢測酸堿的關(guān)鍵。當(dāng)C12H7NO3遇到酸性溶液時，溶液中的氫離子（H+）會鍵結(jié)到環(huán)狀結(jié)構(gòu)的氮（N）上面，造成結(jié)構(gòu)改變；而當(dāng)C12H7NO3遇到堿性溶液時，羥基上的氫離子（H+）則會被溶液中的氫氧根（OH–）搶走，造成結(jié)構(gòu)改變。而不同結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)會吸收、反射不同波長的光，因此看起來顏色就會不同。

酸堿溶液改變了石蕊試紙中C12H7NO3的結(jié)構(gòu)，使其吸收、反射的光的波長發(fā)生改變，進而呈現(xiàn)出不同的顏色。這就是石蕊試紙變色的原理。但要注意的是，石蕊試紙只能粗略檢測酸堿性，有紅色、藍(lán)色、紫色三種。以石蕊試紙為雛形改進的pH試紙，能夠進一步給出酸堿的大概數(shù)值。pH試紙本身多為淺黃色，試紙上有甲基紅、溴甲酚綠、百里酚藍(lán)這三種指示劑，顏色變化的范圍更加廣泛。

浪漫的意外

大約在1300年，西班牙醫(yī)師阿納爾德斯·德·維拉·諾瓦最早使用石蕊來研究酸和堿。

在17世紀(jì)的某年夏天，英國著名化學(xué)家波義耳的實驗室里放著幾朵因思念已故女友而隨身攜帶的紫羅蘭，不料意外發(fā)生了。因操作不當(dāng)，一滴濃鹽酸濺到了紫羅蘭上，但是波義耳發(fā)現(xiàn)，這朵花奇跡般地由紫色變成了紅色。這個奇怪的現(xiàn)象激發(fā)了他的探索欲，于是他開展了一系列花草與酸堿相互作用的實驗。

通過實驗波義耳發(fā)現(xiàn)，大部分的花草遇到酸堿都會變色，其中從某種石蕊地衣中提取的紫色溶液變色最為明顯，且遇酸變紅，遇堿變藍(lán)。波義耳利用這一特性，用石蕊提取液浸濕紙張，將之烘干之后制成了石蕊試紙。

有多種石蕊科地衣都能夠提取石蕊試劑，比如鱗片石蕊、喇叭石蕊等。雖然試紙名為石蕊試紙，但其實從其他地衣中也可以提取到測試酸堿的試劑。

石蕊的隱喻

在英文語境中，石蕊測試“l(fā)itmustest”還有另一層含義—試金石。這種用法也是基于化學(xué)領(lǐng)域石蕊測試的隱喻。

在化學(xué)領(lǐng)域，可利用石蕊測試溶液的酸堿性；在其他一些領(lǐng)域，需要測試的是候選人能否勝任某一重要職位。試金石可以是一個向重要職位的候選人提出的問題，候選人對該問題的回答，決定著他能否被任命或提名。

有設(shè)計師以這種雙重含義為靈感制作了Litmus，將可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的問題當(dāng)作“試金石”，對超過350名設(shè)計師進行了采訪，以此來了解設(shè)計師如何看待設(shè)計中的可持續(xù)性。

根據(jù)結(jié)果統(tǒng)計，約87%的設(shè)計師認(rèn)為可持續(xù)設(shè)計正在流行，但只有59%的設(shè)計師認(rèn)為自己了解該領(lǐng)域。相關(guān)人員將一系列統(tǒng)計結(jié)果制作成柱狀圖，參考石蕊試紙的美學(xué)形式將之印刷成冊。

在家也可以制作酸堿指示劑

石蕊地衣原料難以采集，石蕊試紙的制作方法也十分復(fù)雜。若想制作自己的酸堿指示劑，則可以用花青素來替代。花青素可溶于水，遇到酸性物質(zhì)會變?yōu)榧t色，遇到堿性溶液則會變成黃綠色。

紫甘藍(lán)富含花青素，是較為容易獲得的原材料。用紫甘藍(lán)汁給一塊布料染色并晾干后，就可以用醋、小蘇打溶液、清潔劑、酸性果汁等在廚房就能找到的酸性或堿性溶液在織物上作畫了。當(dāng)這些酸性或堿性溶液滴落在織物上時，會出現(xiàn)暈染般的效果，色彩呈現(xiàn)非常美麗。

地衣用途廣泛，不僅可以用來制造染料，從中提取的石蕊試劑還能夠幫助科學(xué)家進行實驗。其他方面的用途，還有待我們進一步發(fā)掘。