在第一次世界大战中,化学起着至关重要的作用——而且不仅仅是毒气。迈克·萨顿回顾

第一次世界大战在很多方面都让大多数欧洲人感到意外。当危机开始时,他们相信外交可以防止——或者至少是遏制——冲突。随着军队调动起来,除了少数悲观主义者外,所有人都预测战争将提前结束。当大炮开始开火时,包括将军们在内,没有人预见到为他们提供弹药所需的化学工业的巨大扩张。当和平恢复时,又出现了另一个惊喜。新的化学巨头并没有消失。相反,他们多元化并开始改变世界。

欧洲人认为自己太文明、太老练,不会让邻国之间的争端引发全球灾难。即使谈判失败,职业军队之间的局部竞争也肯定会在几周内决定这个问题,就像1870年普法战争中发生的那样——至少他们是这么认为的。政府和将军们基于这一假设制定了战略,他们很快发现自己急需炸药。只有化学家能帮忙。

他们的职责很快就超出了喂养饥饿的枪支。许多其他战略物资的短缺给他们带来了挑战性的任务,而军事僵局促使了可怕的化学武器的发展——这一创新的后果仍然困扰着世界(见manbetx手机客户端3.0, 2014年6月,p46)。研究人员和实业家意识到,实验室的拖延可能意味着战场上的失败,他们争相寻找新的工艺并改进现有工艺。为了协调这一努力,政府、军队、工业和学术界之间建立了新的联系。从那以后,他们一直在加强。

爆炸性的需求

大多数化学炸药的关键元素是一种相对惰性的元素——氮,这似乎有点矛盾。在火药中,硝酸钾产生快速燃烧其他成分(硫和碳)所需的氧气。从中世纪到19世纪初,人们从厕所和粪堆中发现的腐烂有机物中提取必需的硝酸盐。然而,到了19世纪中期,人们用浓硝酸和硫酸的混合物附着在NO上,制造出了威力更大的炸药,如硝酸甘油和TNT炸药2组合成合适的有机分子。关键的原料现在是钙质——一种来自智利的富含硝酸盐的矿物——和来自各种来源的有机物质,特别是煤焦油。

1914年,事实证明,即使是在预期的短期战争中,现有的爆炸物及其化学前体库存也远远不够。8月中旬,当德国的西进似乎势不可挡时,柏林陆军部(Berlin War Ministry)警告军械部(orance Department)说,在最初的战斗中,弹药的消耗是如此巨大,我们必须采取一切可能的手段,利用每一种潜在的弹药生产来源。

到1914年圣诞节,布满铁丝网和机枪的战壕从英吉利海峡一直延伸到阿尔卑斯山。步兵对他们的攻击是自杀式的。突破需要长时间的炮火轰击,而双方都没有足够的弹药。在东线,机动性更强,但类似的短缺也很普遍——俄国炮兵每天发射的炮弹比其兵工厂一个月的产量还多。

罗杰·维奥莱特/盖蒂图片社

望远镜和潜望镜所需的高质量光学玻璃变得稀缺

随着迅速取得胜利的希望消失,相互指责开始了。1915年5月,《纽约时报》指责英国自由党政府对“贝壳危机”处理不当。今年6月,陷入困境的首相赫伯特·阿斯奎斯(Herbert Asquith)将保守党的批评者带进了新的联合政府。大卫·劳合·乔治(另一位自由党人,不久将取代步履蹒跚的阿斯奎斯担任首相)肩负着改革英国军火工业的任务。

爆炸物远远不是英国人唯一的问题。军服的大规模生产消耗了大量的合成染料,而军事和海军的扩张需要增加双筒望远镜、望远镜和潜望镜所需的高质量光学玻璃的供应。战前对这两种商品的需求几乎全部由德国进口来满足。国内生产设施不足,必要的技术人手不足。

然而,爆炸在1915年是关键因素。德国的u型潜艇破坏了英国的战略物资供应,而英国的海上封锁阻碍了德国的海上贸易——即使没有这些中断,和平时期的硝酸盐进口也不够。双方的化学家和工程师必须从空气中提取氮气,强行将其与氧气结合,然后与稀缺的有机化学物质反应——所有这些都以前所未有的规模和惊人的速度进行。

增加氮

在德国,弗里茨·哈伯于1903年提出了一种“固定”大气氮的方法,并在1909年(根据瓦尔特·能斯特的建议)进行了改进,并在1913年由卡尔·博世在工业上实现了(见manbetx手机客户端3.0, 2013年5月,p48)。氮(从液态空气中蒸馏)和氢(通过蒸汽在热焦炭上产生)在金属催化剂(主要是铁,还有一些锇)上经受高压和高温。氨可以转化为一氧化氮,然后通过奥斯特瓦尔德过程转化为硝酸,该过程包括在铂铑催化剂上氧化,然后进一步氧化和水化。

巴斯夫

巴斯夫不得不开发一种新的钢合金,以在其氨厂建造高压反应器

但德国战前的战略规划者完全忽视了哈伯-博斯过程。1914年8月,巴斯夫路德维希港工厂用它来生产适量的硫酸铵(一种农业肥料),而且没有任何设施可以使用奥斯特瓦尔德工艺来生产硝酸盐。9月,巴斯夫同意在1915年4月之前每月生产5000吨硝酸钠。

要实现这一目标,就需要在没有试点工厂的过渡阶段的情况下迅速进入全面生产。初期的问题在出现时得到了解决,随着更大的工厂如雨后春笋般涌现,以满足军队日益增长的需求,从中吸取的教训得到了应用。巴斯夫在这个项目上得到了一些政府的资助,但是管理层的爱国主义精神得到了鼓舞,因为他们希望在和平恢复后将增加的产能用于有利可图的用途。

尽管英国的炸药制造商也面临着类似的要求,但他们拒绝了哈伯-博世方法,认为这种方法成本太高。相反,他们采用了老式的弗兰克-卡罗工艺,在氮气下加热电石以制成氰酰胺钙,当暴露在蒸汽中时会产生氨。这些氨(加上从煤气生产中回收的更多氨)通过奥斯特瓦尔德法转化为硝酸。

由于所涉及的极端条件,所有这些过程都需要仔细管理。例如,哈伯-博世反应容器需要一种由克虏伯开发的特殊钢材和复杂的阀门系统。扩大规模是困难的,但很快就找到了方法和手段。

尽管增加硝酸盐产量的热潮仍在继续,但双方都面临苯衍生物短缺的问题,尤其是制造苦味酸和TNT所需的苯酚和甲苯。高强度硫酸的生产也必须大幅度增加。

从煤气和焦炭生产中提炼的煤焦油是这些芳香族化合物的主要来源。在战争最激烈的时候,英国每周生产的TNT炸药消耗了720?从60万吨甲苯中提炼出的吨甲苯?成吨的煤。这仍然不足以满足军事需求,所以TNT与更便宜的硝酸铵混合,制成了炸药阿玛托。英国化学家开发了一种只使用20% TNT的有效混合物,但他们的德国同行——尽管同样缺少甲苯——不会满足于低于40%。

科学博物馆/科学与社会图片库

有那么多的男人在前线作战,女人做着重要的工作,比如制造炸药

TNT, amatol和lydite(苦味酸)使高爆弹具有强大的打击力,但不适合作为推进剂。出于这个目的,英国军方青睐于1889年由政府炸药委员会开发的cordite。用硝化纤维素制得炮棉,再加入硝酸甘油和少量凡士林。为了使得到的混合物适合通过模具挤压,它必须与丙酮混合。

在和平时期,木材的破坏性蒸馏可以产生足够的丙酮,但现在需要更多的丙酮。由曼彻斯特大学的Chaim Weizmann开发的一种发酵工艺,在伦敦杜松子酒酿酒师的帮助下,在工业规模上应用,解决了cordite生产中的这一瓶颈。魏茨曼的发现产生了深远的影响:他是一名狂热的犹太复国主义者,英国对他的感激促使官方支持他在巴勒斯坦建立犹太人家园的梦想。

德国的炸药制造商还遇到了其他障碍。由于封锁限制了棉花供应,他们不得不开发出用破布和木浆制造硝化纤维的方法。与此同时,由于缺乏甘油(肥皂生产的副产品),他们的硝酸甘油生产受到限制,直到通过发酵从糖中生产硝酸甘油的工艺从实验室扩大到工厂数量。但是,尽管取得了这些成功,双方的将军们仍继续要求更多的炸药。

健康和安全

化学品制造商还大力参与提供数百万外地部队的医疗和卫生所需的材料。空前数量的消毒剂、防腐剂、止痛剂、麻醉药和药品使这场战争成为第一次死于敌人行动的士兵多于死于疾病的战争。然而,所有这些资源都没有阻止1918 - 1919年的流感大流行,死亡人数几乎是战争死亡人数的三倍。

得益于拜耳(Bayer)这样的研究型公司,德国在战前的医药贸易中占据主导地位。拜耳是无处不在的阿司匹林药片的创造者。相比之下,英国和法国的公司产能有限,他们生产的许多药物都有德国的专利。对标准药物的需求急剧增加——法国奎宁的年产量从1913年的800公斤增加到1917年的9万公斤。即便如此,在流感大流行期间,供应仍然不足。

伦敦帝国理工学院

玛莎Whiteley’的研究小组做出了至关重要的药物

在英国,由于现有制药工业的局限性,政府促使大学和学院的化学系参与生产现有药物和开发新药。1915年,爱丁堡大学的一个研究小组推出了一种战时使用最广泛的防腐剂——次氯酸钙和硼酸的混合物,当它溶解在水中时,会释放次氯酸。

由于现在有许多合格的男子参军,妇女就承担了许多必要的基层工作。例如,玛莎·怀特利(Martha Whiteley)在伦敦帝国理工学院领导了一个全女性团队,该团队生产了一些重要的药物,比如局部麻醉剂β -eucaine。自1900年以来,化学专业女性毕业生的数量显著增加,在战争期间,英国大学开设了速成课程,以培养更多的人。成千上万的妇女还在化学工业中从事体力劳动,许多人在像1917年西尔弗敦爆炸这样的灾难中丧生,或者因为接触有毒物质而生病。她们的英雄主义——以及女性在战时其他重要岗位上的努力——使得任何战后政府都不可能继续拒绝她们的投票权。

和平红利

战争的突然结束几乎和它的开始一样令人惊讶。军方领导人曾预计这场战争还会持续几个月,甚至几年。在某种程度上,它确实做到了:停战后旷日持久的激烈谈判埋下了未来冲突的种子。在这一点上,胜利的盟军面临的众多问题之一是如何处理德国庞大(且高度军事化)的化学工业。

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战争期间,女性在实验室里越来越常见

一个解除武装的中立国不需要能够生产大量炸药的化工厂。然而,如果德国最先进、最成功的出口工业被完全拆除,《凡尔赛条约》(Versailles Treaty)强加的战争债务又如何偿还呢?就在政府官员思考这个问题时,英国、法国和美国的化学公司迅速声称,德国竞争对手持有的专利是合法的战利品。

盟军检查人员检查了德国的化工厂——表面上是为了评估它们的生产能力应该削减多少,但往往暗地里是为了获取有用的技术数据。巴斯夫(BASF)等公司的回应是,停止了更敏感的生产流程,并隔离了关键技术人员,以防止他们受到审讯。最近的一项研究得出结论,德国人最终赢得了这场旷日持久的棋局,因为他们“协调了对盟国的反应,利用了检查系统的弱点,让控制者相互对抗,并利用了盟国之间的利益冲突”。

就这样,德国的化学工业——或者至少是“和平”的部分——存活了下来。与此同时,英国的竞争对手已经掌握了足够的知识,可以扭转他们早先对哈伯-博斯工艺的看法。布伦纳-蒙德公司在蒂赛德建立了一家大型工厂,但没有巴斯夫对战后调查人员精心隐瞒的专业知识,工厂无法有效运作。在阿尔萨斯省(1870年被德国吞并,1918年被法国收回)前巴斯夫员工的帮助下,这个问题才得以解决。

化工企业集团

在所有的前交战国,数百万工人很难适应和平时期的经济。但是,尽管炸药行业不可避免地出现了衰败,但英国、法国、德国和美国的许多化工厂并没有完全停产。相反,它们被用来生产越来越多的化肥、药品、油漆、塑料、纺织品和其他民用材料。战略合并促进了这种扩张和多样化。

1925年,包括巴斯夫、赫斯特和拜耳在内的六家大型德国化学公司联合成立了IG Farben,多年来一直是世界上最大的化学公司。基于战前在染料和制药方面的成功,它很快就在许多其他领域占据了主导地位。其中一项具有重要战略意义的成就是开发出从煤衍生原料中合成橡胶和液体燃料的有效方法。这使德国在1939年之后的另一次经济封锁中幸存下来。

化学工业的战略重要性从未被忘记

1926年,类似的合并造就了英国的巨头——帝国化学工业公司。ICI大规模生产化肥、杀虫剂、染料和涂料。在20世纪30年代,该公司开发了重要的新产品,如有机玻璃(对飞机座舱罩至关重要)和聚乙烯(雷达设备的基本绝缘体)。

在战争开始时,美国巨头杜邦公司已经涉足爆炸物制造以外的领域,并且是通用汽车公司的主要股东。此后,它迅速扩张,为英国、法国和美国提供必要的战争物资(利润可观)。1918年之后,杜邦在其他高科技行业获得了立足点。20世纪30年代,它推出了尼龙,40年代,它在制造第一枚核弹方面发挥了关键作用。

这些大型机构在研究方面投入了大量资金,通常还得到了政府的鼓励和支持。化学工业的战略重要性——以及学术界可能为其创造新的可能性——从未被遗忘。因此,1939年主要战斗人员在化学战线上的准备比1914年要好得多。

迈克·萨顿是英国诺森比亚大学人文学系的访问学者