酸鹼指示劑（Acid-Base Indicator）的發展歷史（一）

酸鹼指示劑（Acid-Base Indicator）的發展歷史（一）
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

「指示劑」或「試紙」對現今的生活來說，是非常重要的，許多生理與生物上的檢測，都需要依賴「指示劑」或「試紙」來知道、分析結果。舉例來說，若要知道一杯溶液之酸鹼性，最簡便的方式便是使用「指示劑」或「酸鹼試紙」；除了酸鹼指示劑，血型的檢驗，也同樣透過加入適當的試劑，看其反應，來驗明結果。此外還有「葡萄糖試紙」，用以明白待檢液體中葡萄糖的含量、「驗孕試紙」等等。

然而人們如何開始知道使用「指示劑」呢？在以下的篇幅，我們要特別針對「酸鹼指示劑」，回溯其發展的過程，看看人們如何從大自然中學功課，進而累積成文明的智慧。

天然「酸鹼指示劑」的發現與應用
現今我們所熟知可用為「酸鹼指示劑」的物質，大部分都有顏色。事實上，早在十六世紀甚至更早，人們就已經知道一些植物的漿汁，可以被用來做染料，最有名的，是法國用作「絲染」的技術。也有一些歷史文獻，是關於不同物質加入這些汁液中，會促使其變為不同顏色的記載。然而當時人們對物質的了解仍一知半解、渾沌未明，故雖有留下紀錄，卻都十分瑣碎含糊。直至十七世紀，一個偶然的機會，「指示劑」被發現與應用於當時的研究上，科學家才開始將物質概括分類成「酸」、「鹼」、「鹽」等項目，並且了解相同種類的物質，大體上會有相同的性質，這也使科學的進展向前跨越一大步。

而「指示劑」被發現的過程，則是因為生活中的小插曲，引發科學家的好奇心，進而發展成研究的題材，然而其成果卻帶來曠世的影響。這位留心生活中的化學變化的科學家，即是鼎鼎大名的英國物理化學家──羅伯特•波以耳（Robert Boyle, 1627-91）。西元1660年的一個清晨，波以耳一如往昔地準備展開實驗室工作，過程中他順手取了一點花木工送給他的一籃紫羅蘭，置放於實驗室的桌上。那天他正進行著關於鹽酸的研究，在取出些許濃鹽酸時，一股嗆鼻的白煙，伴隨著淡黃色液體，由瓶口湧出，旋即污染了原本為怡情冶性而佈置的鮮花。愛蒔花養草的波以耳立刻以水企圖清洗被鹽酸飛濺波及的紫羅蘭花瓣。沒想到經由水的滌洗，不一會兒功夫，紫羅蘭的花瓣漂出了紅色。這樣的結果讓波以耳喜出望外，索性將擁有的紫羅蘭，都拿進實驗室作測試。他發現，實驗室中各式各樣的酸，都會使紫羅蘭的花瓣變為紅色，這是一個很令波以耳振奮的結論，因為往後若要了解液體的酸鹼性，利用紫羅蘭就能分辨了。波以耳進一步採集矢車菊（cornflowers）、玫瑰（roses）、石蒜雪花蓮（snowdrops）、巴西蘇木（brazilwood）、報春花（primroses）、胭脂紅（cochineal, 原文中並未說明取自何種植物）及石蕊地衣（litmus lichen）的花瓣、樹皮或根，利用酒精與水，泡成不同的浸液，對酸鹼物質做檢測，發現這些浸液有些遇酸會變色、有些遇鹼會變色。其中比較有趣的是，由石蕊蘚苔取出的紫色浸液，遇酸會呈現紅色、遇鹼則呈現藍色。波以耳將這樣能測出酸鹼的浸液稱之為「指示劑」。

根據1663年波以耳所寫的「顏色的實驗（Experiments upon Colours）」一書所陳述的，為求應用方便，以及不浪費實驗用量的考量下，他將紙片浸透入這些指示劑裡，經由烘乾，成為試紙，用意是只要以玻棒沾些少取待檢液到紙片上，觀察其變化，就能檢測出酸鹼的結果，這也是現今許多試紙製程最早的根據。波以耳也根據他的實驗結果，為酸鹼做出簡單的定義：「能使石蕊試劑變紅的是酸；使其變藍的是鹼。」這雖然是十分粗糙的說明，他的這項成就，卻是人類探索未知的一大步。

在這之後，有更多人投入於「天然蔬果花卉」作為酸鹼指示劑的研究，十八世紀，人們更發現強酸與弱酸使指示劑變色的程度，是有不同的。例如根據1775年貝格曼（T. Bergman）的記載，他提到硝酸能使糖試紙（sugar paper）變紅，醋酸卻不行；藍色石蕊試紙能因空氣中的酸性物質轉趨紅色，紫羅蘭試紙卻不行。人們對於天然指示劑的掌握及其精確度的要求日益增加，在此中得到的知識也更為多元蓬勃。

參考文獻:
1. http://www.csulb.edu/~percept/rboyle.html
2. Szabzdáry, F.; Oesper, R. E. “ Indicators: A Historical Perspective” J. Chem, Edu. 1964, 41, 285-287.

請參閱酸鹼指示劑（Acid-Base Indicator）的發展歷史（二）閱讀