當鐵成為“燃料”，自嗨鍋自然就嗨啦

馮大誠《百科知識》

近幾年來，帶加熱包的方便米飯和自嗨鍋受到了很多人的熱捧。給加熱包加上水之後，熱乎乎的水汽就立刻出來，十幾分鐘後飯菜就熱做好。不用電，也不燒氣，就能夠釋放出大量的熱，很是方便！不過，熱量究竟是從哪裡變出來的呢？

前些年，有一樣東西與方便米飯、自嗨鍋的加熱包原理相似，那就是中醫治療藥物“坎離砂”，把它放在身上适當的位置，就能進行熱敷。隻是年輕人用得少，所以知名度不高。後來，“暖寶寶”流行起來，它也是一個發熱包。隻不過，由于這類加熱包不與水直接接觸，放熱慢而持久罷了。

其實，這些加熱包發熱所需能量的來源，都主要來自一個化學反應，那就是鐵的氧化反應。确切地說，就是鐵被氧化，生成三氧化二鐵（Fe O2→Fe2O3，放熱）。這與我們燒炭取暖的化學反應類似（C O2→CO2，放熱），隻是這裡的“燃料”是鐵。

鐵也可以當作“燃料”？那怎麼沒見做飯時把鐵鍋燒着了？ 我們都見過一個鐵的氧化反應的産物——鐵鏽，其最主要成分便是三氧化二鐵。而且我們知道，鐵生鏽是一個在常溫下就能夠進行的反應。 有人還是會問，我們見過鐵鏽，可是沒有發現它發熱啊。我們當然發現不了鐵生鏽時的放熱，因為鐵生鏽這個化學反應的速度實在太慢了。鐵的鏽蝕反應的步驟比較複雜，但是歸根結底仍然是Fe O2→Fe2O3，仍然會放出熱量。由于反應太慢，放出來的熱量很快被環境吸收，所以我們完全感覺不到。現在，我們在“坎離砂”、“暖寶寶”或方便米飯的發熱包中把這個氧化反應極大地加快了速度，于是我們便能感覺到熱。

那麼，我們是怎樣把鐵的氧化這個平時很慢的反應的速度加快的呢？ 我們知道，鐵是固體，氧氣是氣體。無論化學反應的中間過程怎樣，反應肯定在鐵的表面進行。因此，這些化學反應的速度，除了其本身的化學性質即化學反應的難易程度之外，一定與鐵的表面性質有關。我們又知道，鐵在常溫下是能夠生鏽的，也就是說，這個反應并不是很難發生的。那問題就在鐵的表面了。 表面性質的一個最重要的因素是表面的面積。參與化學反應的分子是一定要相遇才可能發生反應的。因而，同樣的條件下，反應物之間的接觸面積越大，參與反應的分子就越多，顯示出來的宏觀反應速度就越快，一定時間内放熱反應所産生的熱量也就越多。我們平時見到的鐵器如鐵鍋、鐵釘都是個體體積相對較大的物體，而加熱包内參加化學反應的鐵都是細小的鐵粉。總體積相同的兩個物體，一個是整個的，另一個則被粉碎成很多小的組分，那麼，後者的表面積顯然要遠遠大于整個的物體。

舉一個最簡單的例子，一個正方體有6個表面，一刀切成兩半，表面就多出來2個，表面積顯然增大了。切的刀數越多，表面積增加得越多，而總的體積當然沒有變化。表面積增大，有可能發生化學反應的分子相遇的機會也就多了。所以，鐵粉發生氧化反應的宏觀速度就會遠遠比鐵鍋、鐵釘等物體的氧化要快得多。 其次是表面的粗糙和疏松程度。有的物體表面是比較光滑和緻密的，如鐵鍋，通常是沖壓或鍛造出來的。即使是鐵釘，也需要軋制和沖壓。這樣，我們使用的鐵制品表面都是光滑和緻密的，而且，一般都是在較高溫度時制造，然後冷卻而成。在高溫冷卻的過程中，實際上鐵的表面已經生成了或薄或厚的氧化層。由于表面光滑、緻密，而且還有氧化層，所以普通的鐵器可以進行氧化反應的鐵原子并不多，常溫下氧化緩慢就是必然的。 加熱包裡的鐵粉則不是如此，它們的制取并不是簡單地把鐵用锉锉成了鐵末子，而是用還原法直接把氧化鐵的粉末，如鐵礦精粉、軋鋼鐵鱗（高溫下鐵氧化的産物）等用炭或水煤氣（氫氣和一氧化碳）之類的還原劑還原而成的海綿狀鐵粉。放大了看，其表面是粗糙而帶有海綿狀空洞的。這樣，它與氧氣、水蒸氣或水接觸的面積将是很大的。在最後包裝之前，它一直在缺乏氧氣的還原環境下，所以，表面也大多沒有被氧化。

當這樣的所謂“還原鐵粉”遇到了氧氣和水蒸氣之後，其氧化的速度就比一般的鐵器快了不知多少倍。拿“坎離砂”發熱包來說，平時都是隔絕空氣包裝的，一旦撕去外層的包裝，讓空氣進入袋内，鐵粉就會氧化而發熱。由于這樣的發熱包是靠近人的身體放置的，有了人體散發出的水汽，發熱包中鐵粉的氧化就更快，在4～6小時内基本上就可以被氧化得差不多了。一般的“坎離砂”在人身上熱敷的時間也差不多這樣長。有了水汽，發熱才更快，很明顯，“坎離砂”這個名稱正形象地說明了這個特點。八卦中，坎屬水，離屬火，水汽進去了，發熱包就如同着了火一樣熱起來了。

由于方便米飯的加熱包需要在水裡更迅速地發熱，所以，在它的加熱包裡另外摻加了鋁粉、石灰等少量其他成分。鋁粉比鐵粉更加活潑，更容易氧化發熱。加石灰則使水溶液成為強堿性，在這種情況下，鐵粉的氧化速度更加迅速，可以在十幾秒的時間内把水溫提高到沸騰的程度。 看到這裡，可能有人會問，在水和其他堿性物質的參與下，鐵的氧化反應是很複雜的，那麼，本文一開始所說的“Fe O2→Fe2O3，放熱”的模式是不是還成立呢？在化學中，關于化學反應的熱效應，有一個著名的赫斯定律（過去稱蓋斯定律），說是化學反應的熱效應隻與反應物和産物的狀态有關，而與反應的中間步驟即反應途徑無關。這實際上就是能量守恒定律對化學反應過程的應用。

還是打個比方，連通器中的水從較高水面流向較低水面中所能夠做功的大小，隻與兩個水面的高度差（也就是水所具有的勢能的差）有關，而與水流的途徑無關（當然假定流動中沒有摩擦力）。我們用自來水澆園子，與所接水管的長短并沒有很大的關系。這裡，反應物是鐵和氧氣，産物是三氧化二鐵。不論中間反應有哪些，最終的能量差，也就是反應放出的總的熱量總是一樣的。 同樣的一個化學反應，由于反應條件的不同，使得整個反應的速度會發生很大的變化，而這種變化給它的效應或應用可以造成巨大的差别。同是鐵的氧化反應，它可以使鐵器鏽蝕，給生産生活帶來危害，造成巨大的經濟損失，也可以把鐵當作“燃料”，氧化時放出熱量，方便我們的生活，還可以作為醫療手段，有益于我們的健康。我們的化學世界，還真是有趣得很。

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