在生活中,经常能观察到铁制品生锈的现象。在铁器表面出现的红褐色锈迹,其中含有三氧化二铁等成分。干燥的氧气本身对铁的影响其实不大,但在水和盐分存在的条件下,生锈就会变得更容易发生。
生锈氧化让原本坚韧的金属变得疏松脆弱,这会带来很多经济损失和安全隐患。全球每年因锈蚀造成的经济损失高达4万亿美元。因此,人们总是想尽办法阻止铁与氧气反应。比如说给铁制品刷上防锈漆,或者用不锈钢替代普通的铁。
然而,这个总是令人头疼的“生锈反应”也有派上用场的时候。我们在冬天使用的一次性取暖贴(“暖宝宝”),利用的就是铁生锈的过程。在“暖宝宝”当中,最主要的成分就是铁粉,此外它还含有活性炭、水、食盐,以及高吸水性树脂和蛭石。最后这两种成分可以吸收水分,为反应物提供潮湿的环境,同时避免水流出来弄湿衣服。
这种取暖贴有两层包装,外层的密封包装可以隔绝空气,而内侧包装则是透气的。当打开外层包装之后,其中的铁粉接触空气中的氧气,就会开始反应,生成三氧化二铁。这个氧化反应放热,就会让“暖宝宝”暖和起来。
平时人们会想尽办法阻止铁生锈,但是为了取暖,人们设法让“暖宝宝”里的铁粉迅速“生锈”。一方面,“暖宝宝”中的铁是细小的铁粉,与氧气接触的表面积很大;另一方面,盐和水的存在也加速了反应。
这个反应说起来很简单,但设计“暖宝宝”其实还要稍微复杂一些。反应太慢了可能等很久都不会暖和,太快了不仅容易烫伤,而且会导致铁粉更快被消耗完。为了让反应保持恰当的速度,并且尽可能长时间保持暖和,生产商会测试各种成分最适宜的添加量和配比。此外,内层包装袋也很重要,通过改变它的透气程度,也可以控制反应发生的快慢。
用在不同地方的取暖贴也有不同的设计,比如说放在鞋子里的暖脚贴内层包装会更透气一点,因为鞋子内部没有那么充足的氧气。
除了取暖贴,那些可以“自加热”的方便盒饭、方便火锅,它们的加热包也可能含有铁粉,或者铝粉、氧化钙等成分。按要求倒入水之后,就会引发放热反应。在这些地方,反应放热甚至可将温度提升至125℃,这足以将食物充分加热。使用这种加热包时也要格外注意安全,避免烫伤。
除了化学反应之外,也有用物理过程带来温暖的方法。有一种暖手包里面装着透明的溶液,其中还有一个金属的“引发片”。掰一掰金属片,你就会看到其中的液体开始结晶,并且感受到发热。这种暖手包里装的东西是浓浓的醋酸钠过饱和溶液,金属片可以引发结晶过程,让它变成水合醋酸钠晶体。这个结晶过程会放出热量可供取暖,因此这种物质也被称为“热冰”。和一次性的“暖宝宝”不同,这种暖手包加热之后还可以再次使用。