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开博时间:2016-07-01 14:43:00

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当铁成为“燃料”—从方便米饭的加热包说起

2019-11-13 20:51:00

  近几年来,带加热包的方便米饭受到了很多人的热捧。给加热包加上水之后,热乎乎的水汽就立刻出来,十几分钟后饭做好,菜也热了。不用电,也不烧气,就能够释放出大量的热,很是方便。但热量究竟是从哪里变出来的呢?

  前些年,有一样东西与方便米饭的加热包原理是相似的,那就是中医治疗药物“坎离砂”,把它放在身上适当的位置,就能进行热敷。只是年轻人用得少,所以知名度不高。后来,“暖宝宝”流行起来,它也是一个发热包。只不过,由于这类加热包不与水直接接触,放热慢而持久罢了。

  其实,这些加热包发热所需能量的来源,都主要来自一个化学反应,那就是铁的氧化反应。确切地说,就是铁被氧化,生成三氧化二铁(Fe+O2 → Fe2O3,放热)。这与我们烧炭取暖的化学反应类似(C+O2 →CO2,放热),只是这里的“燃料”是铁。

  铁也可以当作“燃料”?那我们怎么从来没有见过做饭时把铁锅烧着了?

  我们都见过一个铁的氧化反应的产物—铁锈,其最主要成分便是三氧化二铁。而且我们知道,铁生锈是一个在常温下就能够进行的反应。

  有人还是会问,我们见过铁锈,可是没有发现它发热啊。我们当然发现不了铁生锈时的放热,因为铁生锈这个化学反应的速度实在太慢了。铁的锈蚀反应的步骤比较复杂,但是归根结底仍然是 Fe+O2 →Fe2O3,仍然会放出热量。由于反应太慢,放出来的热量很快被环境吸收,所以我们完全感觉不到。现在,我们在“坎离砂”、“暖宝宝”或方便米饭的发热包中把这个氧化反应极大地加快了速度,于是我们便能感觉到热。

  那么,我们是怎样把铁的氧化这个平时很慢的反应的速度加快的呢?

  我们知道,铁是固体,氧气是气体。无论化学反应的中间过程怎样,反应肯定在铁的表面进行。因此,这些化学反应的速度,除了其本身的化学性质即化学反应的难易程度之外,一定与铁的表面性质有关。我们又知道,铁在常温下是能够生锈的,也就是说,这个反应并不是很难发生的。那问题就在铁的表面了。

  表面性质的一个最重要的因素是表面的面积。参与化学反应的分子是一定要相遇才可能发生反应的。因而,同样的条件下,反应物之间的接触面积越大,参与反应的分子就越多,显示出来的宏观反应速度就越快,一定时间内放热反应所产生的热量也就越多。我们平时见到的铁器如铁锅、铁钉都是个体体积相对较大的物体,而加热包内参加化学反应的铁都是细小的铁粉。总体积相同的两个物体,一个是整个的,另一个则被粉碎成很多小的组分,那么,后者的表面积显然要远远大于整个的物体。举一个最简单的例子,一个正方体有6个表面,一刀切成两半,表面就多出2个,表面积显然增大了。切的刀数越多,表面积增加得越多,而总的体积当然没有变化。表面积增大,有可能发生化学反应的分子相遇的机会也就多了。所以,铁粉发生氧化反应的宏观速度就会远远比铁锅、铁钉等物体的氧化要快得多。

  其次是表面的粗糙和疏松程度。有的物体表面是比较光滑和致密的,如铁锅,通常是冲压或锻造出来的,前些日子在网上很红的某地铁锅就号称需要手工敲打多少锤。即使是铁钉,也需要轧制和冲压。这样,我们使用的铁制品表面都是光滑和致密的,而且,一般都是在较高温度时制造,然后冷却而成。在高温冷却的过程中,实际上铁的表面已经生成了或薄或厚的氧化层。由于表面光滑、致密,而且还有氧化层,所以普通的铁器可以进行氧化反应的铁原子并不多,常温下氧化缓慢就是必然的。

  加热包里的铁粉则不是如此,它们的制取并不是简单地把铁用锉锉成了铁末子,而是用还原法直接把氧化铁的粉末,如铁矿精粉、轧钢铁鳞(高温下铁氧化的产物)等用炭或水煤气(氢气和一氧化碳)之类的还原剂还原而成的海绵状铁粉。放大了看,其表面是粗糙而带有海绵状空洞的。这样,它与氧气、水蒸气或水接触的面积将是很大的。在最后包装之前,它一直在缺乏氧气的还原环境下,所以,表面也大多没有被氧化。

  当这样的所谓“还原铁粉”遇到了氧气和水蒸气之后,其氧化的速度就比一般的铁器快了不知多少倍。拿“坎离砂”发热包来说,平时都是隔绝空气包装的,一旦撕去外层的包装,让空气进入袋内,铁粉就会氧化而发热。由于这样的发热包是靠近人的身体放置的,有了人体散发出的水汽,发热包中铁粉的氧化就更快,在4~6小时内基本上就可以被氧化得差不多了。一般的“坎离砂”在人身上热敷的时间也差不多这样长。有了水汽,发热才更快,很明显,“坎离砂”这个名称正形象地说明了这个特点。八卦中,坎属水,离属火,水汽进去了,发热包就如同着了火一样热起来了。

  由于方便米饭的加热包需要在水里更迅速地发热,所以,在它的加热包里另外掺加了铝粉、石灰等少量其他成分。铝粉比铁粉更加活泼,更容易氧化发热。加石灰则使水溶液成为强碱性,在这种情况下,铁粉的氧化速度更加迅速,可以在十几秒的时间内把水温提高到沸腾的程度。

  看到这里,可能有人会问,在水和其他碱性物质的参与下,铁的氧化反应是很复杂的,那么,本文一开始所说的“Fe+O2 →Fe2O3,放热”的模式是不是还成立呢?

  在化学中,关于化学反应的热效应,有一个著名的赫斯定律(过去称盖斯定律),说是化学反应的热效应只与反应物和产物的状态有关,而与反应的中间步骤即反应途径无关。这实际上就是能量守恒定律对化学反应过程的应用。还是打个比方,连通器中的水从较高水面流向较低水面中所能够做功的大小,只与两个水面的高度差(也就是水具有的势能的差)有关,而与水流的途径无关(当然假定流动中没有摩擦力)。我们用自来水浇园子,与所接水管的长短并没有很大的关系。

  这里,反应物是铁和氧气,产物是三氧化二铁。不论中间反应有哪些,最终的能量差,也就是反应放出的总的热量总是一样的。

  同样的一个化学反应,由于反应条件的不同,使得整个反应的速度会发生很大的变化,而这种变化给它的效应或应用可以造成巨大的差别。同是铁的氧化反应,它可以使铁器锈蚀,给生产生活带来危害,造成巨大的经济损失,也可以把铁当作“燃料”,氧化时放出热量,方便我们的生活,还可以作为医疗手段,有益于我们的健康。我们的化学世界,还真是有趣得很。

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