拋棄式暖暖包，為什麼打開包裝就會變熱？
― 包裝裡，鐵粉正在急速生鏽
沒有裝電池也沒有燃料，打開包裝幾分鐘後，暖暖包就會漸漸溫熱起來。裡面發生的，其實跟淋雨的自行車一樣的「生鏽」現象。生鏽的時候，其實會產生熱。暖暖包的設計，就是讓這股熱快到手能感覺到，又慢到能撐上半天。
寒冷的早晨，撕開外袋拿出暖暖包。一開始冷冰冰的，但放在口袋裡揉一揉，漸漸就會變得溫暖。
看袋子背面，寫著「原料：鐵粉、水、活性碳、蛭石、鹽類」。裡面完全沒有看起來會燃燒的東西。
另一方面，放在院子裡沒收的鐵釘，就算鏽得通紅，也還是冷的。明明是同樣的鐵，這個差別是從哪裡來的呢？
變熱的理由，只有兩個
生鏽，是鐵和空氣中的氧氣結合的變化。這時候放出的熱，跟營火燒木頭時放出的是同一種熱。鐵釘只是生鏽得太慢，熱很快就散掉了而已。
把鐵磨成細粉，擴大接觸空氣的面積，再用鹽水和碳加快生鏽速度。然後，袋子上的小孔會限制氧氣進入的量，避免變得太熱。
也就是說，暖暖包是在一個袋子裡，同時做到「讓生鏽變快的設計」和「不讓它快過頭的設計」的工具。我們依序來看看。
鐵釘生鏽也不會熱，為什麼粉末卻會溫暖？
生鏽的變化，只會發生在鐵的表面。因為氧氣無法深入鐵塊的內部。所以，同樣時間內會生鏽多少，也就是會放出多少熱，幾乎是由接觸空氣的面積大小決定的。
請看圖1。把1公克的鐵做成1公分見方的塊狀，表面積比一個硬幣的面還小。但如果把同樣的1公克做成直徑約0.05毫米的粉末，表面積就會擴大到相當於一張明信片。大約是塊狀的200倍。轉動旋鈕改變顆粒大小，可以看到越細的顆粒，表面積就越大。
加快生鏽的方法，不只是磨成粉末。暖暖包裡的鹽水，能讓鐵生鏽的速度加快好幾倍。這跟海邊的自行車容易生鏽是同樣的道理。黑色的活性碳粉末，會把空氣存在縫隙裡，扮演把氧氣遞給鐵的角色。
既然如此，為什麼不會一下子就變得很熱？
如果只是要讓生鏽變快，把鐵粉磨得更細就行了。事實上，把極細的鐵絲束成一團的鋼絲絨，靠近火就會噴出火花燃燒起來。燃燒和生鏽，都是鐵和氧氣結合的同一種變化，差別只在速度。
在暖暖包裡，袋子本身扮演了剎車的角色。如圖2所示，內袋是用織有肉眼看不見的小孔的布做的。氧氣只能從這些小孔進入。孔的數量和大小，決定了進入的氧氣量，讓放熱的方式保持穩定。在賣出之前，暖暖包會密封在外袋裡，就是為了隔絕空氣，讓生鏽暫停。
實際算一算，一般大小的暖暖包放出的熱，平均大約是3瓦。比手機充電器的功率還小，但因為會在手掌大小的面積上持續放上半天，所以能感覺到足夠的溫暖。
生鏽，就是鐵和氧氣結合的結果。結合了多少氧氣，重量就會增加多少。計算下來，20公克的鐵全部生鏽的話，重量會增加將近9公克。看起來什麼都沒有的空氣，暖暖包花半天的時間，把它的重量吸了進來。
在鞋子裡或疊起來的被子裡等空氣不容易流通的地方，氧氣會不足，變得不容易溫熱。據說腳用的暖暖包，會改變內容物的配方，讓它在較少的空氣下也能發熱。
總結
拋棄式暖暖包，利用的是鐵生鏽時放出的熱。用細粉、鹽水和碳，把生鏽速度加快好幾百倍，再用袋子上的小孔限制氧氣，讓溫暖維持在剛好的程度長達半天。
暖暖包裡裝的，是花半天時間生鏽的鐵。
溫暖的真正來源，是空氣中的氧氣。
即使覺得溫暖，也不可以長時間貼在皮膚上不動。原因請看暖暖包或熱水袋為什麼會造成低溫燙傷？的說明。跟鐵一樣，金屬和空氣結合後變色的故事，請看銅變成綠色「銅綠」的文章；熱累積後自己加速的故事，也請看沾油的布自燃的文章。
- 把開始變熱的暖暖包放進夾鏈袋，盡量把空氣擠出後封住。過一會兒，可以感覺到溫暖漸漸變弱。
- 打開袋子讓它接觸空氣後，又會重新變暖。這說明有沒有氧氣進入，會切換放熱的方式。
- 用廚房的體重計，比較剛打開時和冷卻後第二天的暖暖包重量。如果增加了幾公克，就是氧氣和鐵結合的證據。
因為裡面的水分會稍微蒸發，重量增加的幅度可能會比計算值小一些。請不要把內容物取出，直接整包測量。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的對應從國中理化到大學專業科目，會清楚標示屬於哪個程度的內容
- 國中國中自然科會學到的範圍
- 高中高中「化學」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄層級的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業科目（電化學、反應工程）的內容
- 研究即使在大學也不作為「定論」教授、研究者目前仍在研究的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 氧化：物質與氧氣結合的變化。生鏽也是氧化，燃燒也是氧化。差別只在進行的速度。
- 放熱反應：變化發生時向周圍釋放熱的反應。鐵的氧化是代表性的放熱反應，國中自然科會以暖暖包做為實驗範例。
- 表面積：物體表面的面積。同樣的量分得越細，表面積就越大，發生在表面上的變化就會越快。
國中高中用公式來驗證：暖暖包用多少瓦在發熱
估算暖暖包裡的鐵全部生鏽時放出的熱量，再除以可使用的時間，算出平均發熱功率（瓦）。1瓦，是指每秒放出1焦耳熱量的強度。
| 用符號寫 | P ＝ ( m ÷ M ) × Q ÷ t |
| 用文字寫 | 發熱功率 ＝ 鐵的量（莫耳）× 鐵每莫耳的反應熱 ÷ 發熱時間 |
| 公式的來源 | 能量守恆。鐵和氧氣結合變成鏽時，鍵結能量的差會以熱的形式釋放出來。放出的熱，和反應掉的鐵量成正比 |
| 符號 | 意義與單位 |
| P | 平均發熱功率（瓦） |
| m | 暖暖包中鐵的質量（公克） |
| M | 鐵每莫耳的質量（公克） |
| Q | 鐵每莫耳生鏽時放出的熱（千焦耳） |
| t | 發熱時間（秒） |
| 一般大小暖暖包的鐵量 | 約在20公克左右 |
| 鐵每莫耳的質量 | 55.8 公克 |
| 鐵每莫耳變成紅鏽（氧化鐵）時放出的熱 | 約 400 千焦耳（依鏽的種類略有差異） |
| 發熱時間 | 約 12 小時（依產品略有差異） |
| 鐵的密度 | 每1cm³為 7.87 公克 |
| 把鐵的量換算成莫耳 | 20 ÷ 55.8 ≒ 0.36 莫耳 |
| 全部生鏽時放出的熱 | 0.36 × 400 ＝ 144 千焦耳 |
| 把12小時換算成秒 | 12 × 3600 ＝ 43200 秒 |
| 平均發熱功率 | 144000 ÷ 43200 ≒ 3.3 瓦 |
| 生鏽所用的氧氣（鐵每1莫耳用0.75莫耳） | 0.36 × 0.75 ＝ 0.27 莫耳 |
| 增加的重量（氧氣每莫耳32公克） | 0.27 × 32 ≒ 8.6 公克 |
| 密度 × 顆粒直徑（0.005cm） | 7.87 × 0.005 ≒ 0.0394 |
| 粉末每1公克的表面積 | 6 ÷ 0.0394 ≒ 152 cm² |
| 1公分見方塊狀每1公克的表面積 | 6 ÷ 7.87 ≒ 0.76 cm² |
| 粉末以多少倍於塊狀的面積接觸空氣 | 152 ÷ 0.76 ＝ 200 倍 |
算下來，平均3瓦多的熱量，會持續放出半天。據說人體即使靜止不動，也會放出80～100瓦左右的熱。暖暖包的熱只是其中的幾十分之一，但因為集中在手掌或腰部的一點上，所以能明顯感覺到溫暖。實際上鐵不一定會全部生鏽完，所以這個數值只是參考。
高中高中＋生鏽的變化，為什麼會放熱
高中鐵變成氧化鐵的反應，是反應熱（生成熱）很大的放熱反應。反應前後，原子之間鍵結的能量會降低，這個差值就以熱的形式釋放出來。反應熱不受過程路徑影響，只由最初和最終的狀態決定（赫斯定律）。無論是慢慢生鏽還是一下子燃燒，同樣量的鐵放出的熱總量都相同。
高中＋不同的是放熱的速度。反應速度會隨接觸面積大小、溫度、周圍水和鹽的量等條件而改變。磨成粉末會增加表面積，有鹽水則會讓電流更容易通過，使反應加快。暖暖包是先讓這些加快速度的條件都具備，再只靠限制氧氣的入口來決定整體速度。
大學鐵和碳，在鹽水中形成一個小電池
鐵的腐蝕，在電化學中被視為局部電池所引發的反應。在鐵表面的某個位置，鐵釋放出電子而溶出（陽極）；在另一個位置，氧氣接收這些電子並與水反應（陰極）。暖暖包裡的活性碳能導電，據說就是以廣大的面積扮演這個陰極的角色，加快反應速度。鹽則能提升水中的導電性。在粉末內部，氧氣滲入縫隙的速度（擴散）和表面反應的速度，兩者共同決定整體速度。這在反應工程學中被歸類為不均勻反應和比表面積的問題。
📖 公式推導與更深入的內容：赫斯定律（日文維基百科） ／ 比表面積（日文維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 鏽的成分，會隨條件而改變。 鐵鏽有含水的種類，也有結晶形狀不同的種類，共有好幾種。濕度和鹽的量會影響形成哪一種，細節機制目前仍在研究中。
- 很難準確預測粉末內部氧氣的流動方式。 顆粒大小、堆積方式、水分擴散方式只要稍有不同，發熱方式就會改變。據說產品的配方，不只靠計算，還要反覆試做與測量才能決定。
- 剛開始生鏽的那一瞬間發生了什麼事。 鐵表面形成水膜、腐蝕剛開始的極初期階段，目前仍被當作延長橋梁與船舶使用壽命的研究課題在調查中。
也就是說，這篇文章的內容，也是「目前所知範圍內的說明」。放熱的原因已經清楚，但粉末內部反應如何擴散，仍有一些部分要實際測量才能知道。
與教科書的對應（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科二年級「化學變化與熱」「氧化」 | 生鏽時會放出熱 |
| 高中 | 化學「反應熱」「赫斯定律」 | 無論慢慢生鏽還是燃燒，熱的總量都相同 |
| 高中＋ | 化學「反應速度」 | 用粉末和鹽水加快，用小孔限制速度 |
| 大學 | 電化學（腐蝕）・反應工程 | 局部電池、不均勻反應與比表面積 |
| 研究 | 腐蝕科學 | 鏽的種類、生鏽初期的機制 |
| ― | 與生活的連結 | 暖暖包在鞋子裡變冷的原因、自行車在海邊容易生鏽的原因 |
- 懐炉（カイロ） - ウィキペディア（暖暖包 日文維基百科）
- 日本產業規格 JIS S 4100「使いすてカイロ」（拋棄式暖暖包，日本工業標準）
- 日本化學會 編『化學便覽 基礎編』丸善出版（氧化鐵的生成熱）
- 腐蝕防蝕學會 編『腐蝕・防蝕手冊』丸善出版（局部電池引發的腐蝕）
- 日本文部科學省『國中學習指導要領解說 理科篇』（化學變化與熱）
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值僅為幫助理解原理的參考估算值。請勿取出暖暖包內容物，使用方式請遵照產品的注意事項。