當鐵成為“燃料”

近幾年來，帶加熱包的方便米飯受到了很多人的熱捧。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？

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。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反應類似（C+O2→CO2，放熱），只是這里的“燃料”是鐵。

鐵也可以當作“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的產物——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行的反應。

有人還是會問，我們見過鐵銹，可是沒有發現它發熱啊。我們當然發現不了鐵生銹時的放熱，因為鐵生銹這個化學反應的速度實在太慢了。鐵的銹蝕反應的步驟比較復雜，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“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。

那么，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？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。鐵在常溫下是能夠生銹的，也就是說，這個反應并不是很難發生的。

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，一定時間內放熱反應所產生的熱量也就越多。

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，那么，后者的表面積顯然要遠遠大于整個的物體，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致密的，如鐵鍋，通常是沖壓或鍛造出來的，所以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后，其氧化的速度就比一般的鐵器快了不知多少倍。

由于方便米飯的加熱包需要在水里更迅速地發熱，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內把水溫提高到沸騰的程度。

（文內配圖均已獲得圖蟲創意授權)

本文節選自《百科知識》雜志

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