馮大誠

近幾年來，帶加熱包的方便米飯受到了很多人的熱捧。給加熱包加上水之后，熱乎乎的水汽就立刻出來，十幾分鐘后飯做好，菜也熱了。不用電，也不燒氣，就能夠釋放出大量的熱，很是方便。但熱量究竟是從哪里變出來的呢？

前些年，有一樣?xùn)|西與方便米飯的加熱包原理是相似的，那就是中醫(yī)治療藥物“坎離砂”，把它放在身上適當(dāng)?shù)奈恢?，就能進(jìn)行熱敷。只是年輕人用得少，所以知名度不高。后來，“暖寶寶”流行起來，它也是一個發(fā)熱包。只不過，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(fā)熱所需能量的來源，都主要來自一個化學(xué)反應(yīng)，那就是鐵的氧化反應(yīng)。確切地說，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(xué)反應(yīng)類似（C+O2→CO2，放熱），只是這里的“燃料”是鐵。

鐵也可以當(dāng)作“燃料”？那我們怎么從來沒有見過做飯時把鐵鍋燒著了？

我們都見過一個鐵的氧化反應(yīng)的產(chǎn)物—鐵銹，其最主要成分便是三氧化二鐵。而且我們知道，鐵生銹是一個在常溫下就能夠進(jìn)行的反應(yīng)。

有人還是會問，我們見過鐵銹，可是沒有發(fā)現(xiàn)它發(fā)熱啊。我們當(dāng)然發(fā)現(xiàn)不了鐵生銹時的放熱，因為鐵生銹這個化學(xué)反應(yīng)的速度實在太慢了。鐵的銹蝕反應(yīng)的步驟比較復(fù)雜，但是歸根結(jié)底仍然是Fe+O2→Fe2O3，仍然會放出熱量。由于反應(yīng)太慢，放出來的熱量很快被環(huán)境吸收，所以我們完全感覺不到?，F(xiàn)在，我們在“坎離砂”、“暖寶寶”或方便米飯的發(fā)熱包中把這個氧化反應(yīng)極大地加快了速度，于是我們便能感覺到熱。

那么，我們是怎樣把鐵的氧化這個平時很慢的反應(yīng)的速度加快的呢？

我們知道，鐵是固體，氧氣是氣體。無論化學(xué)反應(yīng)的中間過程怎樣，反應(yīng)肯定在鐵的表面進(jìn)行。因此，這些化學(xué)反應(yīng)的速度，除了其本身的化學(xué)性質(zhì)即化學(xué)反應(yīng)的難易程度之外，一定與鐵的表面性質(zhì)有關(guān)。我們又知道，鐵在常溫下是能夠生銹的，也就是說，這個反應(yīng)并不是很難發(fā)生的。那問題就在鐵的表面了。

表面性質(zhì)的一個最重要的因素是表面的面積。參與化學(xué)反應(yīng)的分子是一定要相遇才可能發(fā)生反應(yīng)的。因而，同樣的條件下，反應(yīng)物之間的接觸面積越大，參與反應(yīng)的分子就越多，顯示出來的宏觀反應(yīng)速度就越快，一定時間內(nèi)放熱反應(yīng)所產(chǎn)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，而加熱包內(nèi)參加化學(xué)反應(yīng)的鐵都是細(xì)小的鐵粉?？傮w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，那么，后者的表面積顯然要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)越多，表面積增加得越多，而總的體積當(dāng)然沒有變化。表面積增大，有可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的分子相遇的機(jī)會也就多了。所以，鐵粉發(fā)生氧化反應(yīng)的宏觀速度就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鐵鍋、鐵釘?shù)任矬w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致密的，如鐵鍋，通常是沖壓或鍛造出來的，前些日子在網(wǎng)上很紅的某地鐵鍋就號稱需要手工敲打多少錘。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致密的，而且，一般都是在較高溫度時制造，然后冷卻而成。在高溫冷卻的過程中，實際上鐵的表面已經(jīng)生成了或薄或厚的氧化層。由于表面光滑、致密，而且還有氧化層，所以普通的鐵器可以進(jìn)行氧化反應(yīng)的鐵原子并不多，常溫下氧化緩慢就是必然的。

加熱包里的鐵粉則不是如此，它們的制取并不是簡單地把鐵用銼銼成了鐵末子，而是用還原法直接把氧化鐵的粉末，如鐵礦精粉、軋鋼鐵鱗（高溫下鐵氧化的產(chǎn)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將是很大的。在最后包裝之前，它一直在缺乏氧氣的還原環(huán)境下，所以，表面也大多沒有被氧化。

當(dāng)這樣的所謂“還原鐵粉”遇到了氧氣和水蒸氣之后，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(fā)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(jìn)入袋內(nèi)，鐵粉就會氧化而發(fā)熱。由于這樣的發(fā)熱包是靠近人的身體放置的，有了人體散發(fā)出的水汽，發(fā)熱包中鐵粉的氧化就更快，在4～6小時內(nèi)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(fā)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(jìn)去了，發(fā)熱包就如同著了火一樣熱起來了。

由于方便米飯的加熱包需要在水里更迅速地發(fā)熱，所以，在它的加熱包里另外摻加了鋁粉、石灰等少量其他成分。鋁粉比鐵粉更加活潑，更容易氧化發(fā)熱。加石灰則使水溶液成為強(qiáng)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內(nèi)把水溫提高到沸騰的程度。

看到這里，可能有人會問，在水和其他堿性物質(zhì)的參與下，鐵的氧化反應(yīng)是很復(fù)雜的，那么，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(xué)中，關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，有一個著名的赫斯定律（過去稱蓋斯定律），說是化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)只與反應(yīng)物和產(chǎn)物的狀態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的中間步驟即反應(yīng)途徑無關(guān)。這實際上就是能量守恒定律對化學(xué)反應(yīng)過程的應(yīng)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，只與兩個水面的高度差（也就是水所具有的勢能的差）有關(guān)，而與水流的途徑無關(guān)（當(dāng)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(guān)系。

這里，反應(yīng)物是鐵和氧氣，產(chǎn)物是三氧化二鐵。不論中間反應(yīng)有哪些，最終的能量差，也就是反應(yīng)放出的總的熱量總是一樣的。

同樣的一個化學(xué)反應(yīng)，由于反應(yīng)條件的不同，使得整個反應(yīng)的速度會發(fā)生很大的變化，而這種變化給它的效應(yīng)或應(yīng)用可以造成巨大的差別。同是鐵的氧化反應(yīng)，它可以使鐵器銹蝕，給生產(chǎn)生活帶來危害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也可以把鐵當(dāng)作“燃料”，氧化時放出熱量，方便我們的生活，還可以作為醫(yī)療手段，有益于我們的健康。我們的化學(xué)世界，還真是有趣得很。