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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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