冬天到了超級冷,小手沒人牽的魯編更是常常手腳冰冷,這時有個暖暖包放在手心就算不能補足心靈的冷也能提昇一下手掌的溫度,嗚嗚嗚。市售的暖暖包大概有哪幾種?背後的科學又是什麼呢?

一般來講現在常見的暖暖包大概有三種,一種是最常見也最便宜的拋棄式暖暖包,一拆封就會開始升溫可以使用好幾個小時;一種是用完之後用沸水煮一煮就可以重複使用的暖暖包,在用之前需要摺疊拍打一番,發熱時間大概只有一兩小時。最後一種是電子暖蛋,利用USB插頭充滿電後隨時按下開關就能開始產熱,亦能隨時暫停使用。

一、拋棄式暖暖包

拋棄式暖暖包一但拆封後就會開始發熱,搓揉裡面的細沙物質好像會有更熱的感覺,一旦開始使用之後就沒辦法暫停而且用完就得丟掉。這種暖暖包裡面的主要成份是:鐵粉、食鹽、蛭石、和活性炭,有點化學概念的人就會知道,這其中的主要發熱成分是靠鐵粉,其他的物質只是來輔助反應的進行,這種反應叫做氧化還原反應。

氧化還原反應

氧化反應與還原反應是一體兩面的事情,從電化學的角度來看,失去電子的物質被氧化,得到電子的物質被還原,換句話說一個物質要氧化必定代表另一個物質被還原,反之亦然。兩個物質透過電子的轉移,個別從一個比較高能的不穩定狀態轉變成一個比較低能量的穩定狀態,並且釋放出能量,這就是一個放熱的氧化還原反應,拋棄式暖暖包正是利用這種原理來發熱。

氧化還原反應牽扯到電子的轉移

拆封後暖暖包裡面的鐵粉開始接觸空氣中的氧氣並開始氧化還原反應,這個反應其實就是日常生活中常見鐵生鏽的反應,反應式如下:

4Fe(s)+3O2(g)→2Fe2O3(s) ΔH=-826 KJ/mol

這個式子所表達的意思就是鐵被氧氣氧化,而每莫耳的鐵被氧化成氧化鐵時會放出826千焦耳的熱量,如果假設一包暖暖包裡面有11克左右的鐵粉,完全反應後大概可以提供39,520卡左右的熱量,稍微轉換計算一下的話,大概可以想像是10克左右的碳完全燒掉所能產生的熱能。

這邊產生兩個很重要的問題,第一個是,一般生活經驗告訴我們鐵生鏽是很慢的過程,為什麼我們可以在短時間內就把鐵氧化掉?第二個問題是,為什麼跟燃燒10克的碳產生一樣的熱量,如果真的是燒炭我們的手可能已經燙傷了,為何暖暖包可以慢慢的釋放熱量而不致於溫度太高?

一開始所提到的氧化還原其實就是電子的轉移,電子就像想像中的電一樣,有適當的導電介質才能使反應進行的更快,暖暖包裡面的蛭石是一種矽酸鹽類的礦物,裡面很多空隙而且有涵水的能力,與活性炭一樣,這兩個添加物接觸空氣後都會快速的吸收空氣中的水份,而光有水還不夠因為水本身導電性不強,因此添加的食鹽就在這時派上用場,食鹽溶解後變成電解液,可以幫助電子以及離子的轉移,所以有了這些添加物的幫忙才能使鐵的氧化反應加速進行。

有水才能讓鐵離子移動並與氧氣形成氧化鐵,也加食鹽的水溶液可以讓離子的移動效果更好 至於第二個問題,答案跟第一個問題其實也有些相似,首先溫度的高低可以用以下公式表示:ΔH=msΔT,ΔH是熱量的變化,m是質量,ΔT是溫度變化,其實就是得要計算暖暖包本身的比熱,再來要考慮的就是反應速率的問題,因為這些添加的輔助物質可以決定反應速度的快慢,而在越短的時間內提供越多熱量溫度就會上升的越高(因為溫度散失的速率基本上不太會改變),所以廠商會調整添加物的量,讓反應不要太快也不要太慢,調到一個正好適合冬天和寂寞的溫度。

當然有許多國高中生的科展題目都曾經探討過如何改良這類的暖暖包,例如使用比鐵更活潑的金屬如鎂或鋅等等,各種改良都很有潛力但最重要的還是如何讓使用人用起來舒適方便並且成本適宜而不是一味的追求更熱或更持久。