当铁成为“燃料”

冯大诚

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，十几分钟后饭菜就热了。不用电，也不烧天然气，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？

其实，加热包发热所需的能量主要来自铁的氧化反应。确切地说，就是铁被氧化，生成三氧化二铁（Fe +02一Fe203，放热）。这与烧炭取暖的化学反应类似（C+02-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呢？

我们都见过铁氧化反应的产物——铁锈，其主要成分是三氧化二铁。而且我们知道，铁生锈是一个在常温下就能够进行的反应。

有人还是会说，我们见过铁锈，可是没有发现它发热啊。那是因为铁生锈这种化学反应的速度很慢。铁锈蚀反应的步骤比较复杂，但是归根结底仍然是“Fe+02-Fe203”，仍然会放出热量。由于反应速度太慢，放出来的热量很快被环境吸收，所以我們完全感觉不到。而方便米饭的加热包把这个氧化反应速度极大地加快了，于是我们便能感觉到热。

那么，怎样把铁的氧化反应速度加快呢？

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，反应肯定都在铁的表面进行。因此，这些化学反应的速度，除了与其本身的化学性质即化学反应的难易程度有关，也与铁的表面性质有关。

首先，表面性质的一个重要因素是表面的面积。参与化学反应的分子是一定要相遇才可能发生反应的。因此，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，另一个被粉碎成粉末，后者的表面积显然要远远大于前者的表面积。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比铁锅、铁钉等物体的氧化反应速度快得多。

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，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，而且一般都是在高温时制造，然后冷却而成的。在经历高温、冷却的过程中，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，常温下氧化反应速度缓慢就是必然的。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还原成海绵状铁粉。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增大。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“还原铁粉”遇到氧气和水之后，其氧化的速度就比一般的铁器快了很多倍。方便米饭的加热包需要在水里更迅速地发热，所以，商家在它的加热包里另外掺了铝粉、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。加石灰则使水溶液呈强碱性，在这种情况下，铁粉的氧化速度更快，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+02-Fe203，放热”的模式还成立吗？

在化学中，关于化学反应的热效应，有一个著名的赫斯定律（亦称盖斯定律），说是化学反应的热效应仅与反应物的最初状态及生成物的最终状态有关，而与反应的中间步骤无关。这实际上就是能量守恒定律在化学反应过程中的应用。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是一样的。

同样一个化学反应，由于反应条件的不同，整个反应速度会发生很大的变化，而这种变化可以给它的效应或应用造成巨大的差别。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”，利用其氧化时放出热量，方便我们的生活。化学世界，有趣得很。

（选自《百科知识》2019年第17期，有删改）