从方便米饭的加热包说起——把铁作“燃料”

近几年来，带加热包的方便米饭得到了很多人的热捧。在加热包加上水之后，热乎乎的水汽就立刻上来，十来分钟后饭做好，菜也热了。不用电、也不烧气，就能够放出大量的热，很是方便。有人要问，它的热从哪里来的？

其实，前一些年，还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，就可能进行热敷。只是年轻人用的少，所以知名度不高。再加上宣传的时候，只是说“中草药”，把治疗的关键东西忽略了，那也是一个发热包。不过，由于那个加热包不与水直接接触，放热慢而持久罢了。

这两种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，换句话，从根本上说，就是铁被氧化，生成三氧化二铁。

我们都熟悉碳的氧化：

碳 + 氧气 = 二氧化碳，放出热量

这是我们烧炭取热的化学反应。这里铁的氧化反应的最终结果与碳的氧化完全类似，归根结底就是

铁 + 氧气 = 三氧化二铁，放出热量

也就是说，与炉子里炭的燃烧相类似，只是这里的“燃料”是铁。

铁也可以做“燃料”？我们怎么从来没有见过做饭时把铁锅烧了？

不过，我们所有的人们都见过铁的一个氧化反应的产物，铁锈。它的最主要成分便是三氧化二铁，而且，我们都知道，铁的生锈是一个在常温下就能够进行的反应。

有人还是会问，我们见到铁锈，可是没有发现它发热啊。那当然发现不了铁锈会发热，因为铁生锈这个化学反应的速度太慢的，虽然这确实是一个放热反应。铁的锈蚀反应的步骤比较复杂，但是归根结底仍然是上面所说的铁 + 氧气 = 三氧化二铁，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，所以我们感觉不到。现在我们在方便米饭和坎离砂的发热包中把这个氧化反应极大地加快了速度，于是我们感到了热。

那么，我们是怎样把铁的氧化反应这个平时很慢的反应的速度加快的呢？问题的关键在哪里？

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，除了它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反应。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了才可能发生反应的。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快，一定时间内放热反应所产生的热量也就大。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一整个的物体。举一个最简单的例子，一个正方的立体，有前后左右上下六个表面，一刀切成两半，表面就多出来了两个，表面积显然增大了。切的刀数越多，表面积增加的越多，而总的体积当然没有变化。而表面积增大，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我们见到了铁锅、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，前些日子在网络上很红的某地铁锅就号称需要手工敲打多少多少锤，又如铁钉，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，即使是看上去锃光瓦亮的铁钉，实际上表面也有薄薄的氧化层。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挫挫成了铁末子，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，人的身上蒸发出汗气，水蒸气的含量还是比较高的，这样，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。加石灰则是使得水溶液成为强碱性，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“铁 + 氧气 = 三氧化二铁，放出热量”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作功的大小，只与两个水面的高度差（也就是水所具有的势能的差）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，它可以是铁器的锈蚀，给人们带来极大的危害，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。