化工简史：吃饱穿暖与四大天坑

化学工业是人类改造世界最主要的手段之一，早在远古时代，人类便开始使用化学方法，来进行制陶、酿造、染色、冶炼、制漆等生产活动，通过这些行为，人类改造物质世界的伟大征程逐渐开启。而到公元前后，东西方分别开始了炼丹术与炼金术，得益于众多有钱没地方花的贵族投资，以及害怕活的时间长的诸位皇帝以身试毒，人类逐渐掌握了一些最为基本的化学知识。于是到15世纪时，西方的炼金术逐步转变为制药，并在实验室中，制得了一些最为基础的化学品，比如硫酸、盐酸、硝酸等。而真正意义上的现代化学工业，则开启于18世纪中叶的英国。

沉迷炼金的牛顿

当时在英国，出现了世界上第一个化工厂，他们使用硫磺和黄铁矿，经过氧化反应和水合反应后，制得了最重要的一种无机酸——硫酸，不过当时的技术条件毕竟十分有限，工厂的产量也不大。后来英国发生了工业革命，纺织业首先得到了长足发展，纺织业的高速发展，瞬间带动了对酸和碱的大量需求，比如说在过去，印染工业主要使用植物碱，而现在植物碱就明显供不应求，市场对人工碱变得极其渴望。

终于在1791年，法国化学家吕布兰，在法国科学院的重金悬赏下，开发出了一种以食盐为原料，制备纯碱也就是碳酸钠的新方法，并开始投资建厂，而在生产碳酸钠的过程中，还可以产出盐酸，盐酸可以用来制备氯气、氯化钙、次氯酸钙等含氯物质，而这些东西同样也是纺织工业所需的，可以用来制造漂白剂。另外，生产出来的纯碱，还可以转化为烧碱也就是氢氧化钠，烧碱可以用来生产肥皂等洗涤剂，当然也有其他更为广泛的用途。如此一来，这样一家工厂，就把原料和副产品都充分利用起来，这在当时是一个了不起的创举，于是人们就把这种制造纯碱的方法，称为吕布兰法。而在吕布兰法生产纯碱的过程中，所使用的吸收塔、旋转炉等设备，也逐渐被其他公司采用，成为了现在很多化工设备的鼻祖。就这样，整个化学工业的基础，也就是酸、碱等无机物的生产体系，被基本建立起来。

吕布兰

随着酸碱问题的解决，纺织业迎来了长足发展，但是新的问题又旋即出现，这就是对染料的需求，也开始大幅增加，导致天然染料的供应捉襟见肘，所以市场又呼唤人工染料的出现。幸运的是，在工业革命的伟大时代，陪同忙碌的纺织机一同到来的，还有轰鸣的蒸汽机，随着蒸汽机的逐渐普及，它的食物——煤炭，开始走进化学家的视野。最终研究一番之后，化学家从煤炼焦的副产物煤焦油中，陆续发现了苯、蒽、醌、萘等芳香族化合物，以此为基础，1867年，英国化学家威廉·亨利·珀金，首次合成了人工染料——苯胺紫紫染料。在此之后，一系列其他染料，也被陆续开发出来。再后来，随着石油的广泛应用，人类又逐渐开创了有机物的生产体系，就这样，以酸碱为代表的无机化学工业，以及化石燃料所开创的有机化学工业，便构成了如今庞大的化学工业帝国最坚实的两块基石。化学工业彻底改变历史进程的大幕，被就此掀开。

W.H.珀金

化学工业的发展，首先带来了农业的改变，最典型的代表，就是化肥和农药的普及使用。几千年来，人类基本没有改变靠天吃饭的命运，年景好能吃饱，年景不好就倒血霉了。后来人们发现，原来要想让庄稼茁壮成长，至少需要提供三种元素——氮、磷、钾，于是化肥在化学工业中，便应运而生了。这其中的磷元素和钾元素，在很多矿物中都有分布，所以这两种化肥并不难弄到。但是氮元素就比较另类了，因为绝大多数的氮元素，是以氮气的形式存在于大气中，但问题是，氮气中的氮元素，无法被植物直接吸收，植物能吸收的，只是氮元素的化合物，在过去这种化合物，只能通过农家肥、固氮菌转化，或是闪电等过程，获得极为有限的氮源，当然了最主要的来源还是农家肥。但这里面其实有个死循环，因为拉的数量是有限的，而且吃的多才能拉的多，但吃的多的前提是庄稼多，庄稼多就需要拉的多，这就是一个死循环。而至于通过闪电这个办法，就太不可控了，有的年景，别说闪电，就连雨都一滴没有。

总之就是，农业生产对氮有着极大的需求。于是人们就开始考虑使用化学方法，将空气中的氮气，转化为植物可以吸收利用的含氮化合物。但我们知道，氮气的化学性质异常稳定，人工制得氮的化合物非常困难。直到20世纪初，德国化学家弗里茨·哈伯才利用化学平衡理论，首次提出使用氮气和氢气直接合成氨的反应方法，不久之后，哈伯的同胞卡尔·博施，又进一步解决了设备的相关问题，工业化大规模生产氨气成为可能，氮肥由此问世，所以我们闻到的化肥那股刺鼻的味道，其实就是氨的味道。三种营养元素都搞定之后，人类的粮食产量开始大幅提高，鉴于此，哈伯和博施分别获得了1918年和1931年的诺贝尔化学奖。

弗里茨·哈珀

卡尔·博施

不过仅仅有化肥，人类还不满足，因为农业生产还面对另一个重要威胁，这就是虫害。在过去，人类只能依靠天然药物和少量的无机药物，来杀灭虫害，但是效果很差，一直没有明显的进展。直到上世纪40年代，有机合成农药才终于诞生。有机合成杀虫剂的发展，首先是从有机氯开始的，后来又出现了有机磷类和氨基甲酸酯类，尽管这些杀虫剂的使用，造成了污染和残留等众多问题，但人类毕竟获得了对抗昆虫的武器，我个人认为，有点残留反正吃不死，而现在那些过于恶魔化农药残留的，无非就是想把自己的韭菜包装一下，然后卖个高价。所以我一直很推崇鲁迅先生说的那句话：无论从那里来的，只要是食物，壮健者大抵就无需思索，承认是吃的东西，惟有衰病的，却总常想到害胃、伤身，特有许多禁例，许多避忌;还有一大套比较利害而终于不得要领的理由，例如吃固无妨，而不吃尤稳，食之或当有益，然究以不吃为宜云云之类，但这一类人物总要日见其衰弱的，自己先已失了活气了。

学工业首先为纺织业和农业，带来了极大改变，让人可以穿暖、吃饱，但只是吃饱还不够，我们还要活得更加健康，争取活个95岁轻轻松松。所以化学工业给人类社会带来的第二大改变，就是改善了人类健康。具体来看就是两大方面，一是生物工程，二是制药。

现在人都说，大学选择专业有四大天坑——生物工程、化工、环境科学与材料科学，简称生化环材，其实这些专业，都与化工有很大关系。不过虽然贵为四大天坑之首，但生物工程的名字毕竟十分高大上，所以还是阻挡不了那些猛士的脚步，这就叫真的猛士，敢于直面惨淡的人生。当然了不论生物工程如今让学生有多么糟心，但论及对人类社会所做的贡献，生物工程也不是谦虚，那是不知道高到哪里去了。

所谓的生物工程，狭义上指的就是运用生物学知识，定向地改造生物，这个生物一般特指微生物，通过改造，创造出具有超远缘性状的新物种，然后再通过合适的生物反应器，对这些“新物种”进行大规模的培养，以此生产出大量有用的代谢物，或是直接发挥它们某种独特的生理功能。由于微生物的代谢产物，都是由其体内的天然催化剂——酶来完成的，所以事实上，生物工程就可以看作是一种发生特定酶催化反应的化学过程。

迄今为止，生物工程的最大成就，当时青霉素的大规模生产与使用，早在1928年，英国细菌学家亚历山大·弗莱明，就已经发现青霉素良好的杀菌作用，但是直到二战末期，青霉素才开始大规模使用，为什么要等这么长时间?最直接的原因就是，天然存在的青霉菌的青霉素产量，实在是太低了，只有每毫升2个单位。而我们现在去医院挂吊针，正常情况下，一个成年人一次的注射量，就高达80万个单位，之所以今天可以这样大手笔地使用，幕后功臣正是化学工业。英国病理学家霍华德·弗洛里与生化学家恩斯特·钱恩等人，通过自我奋斗，经过多次的辐射与选育，最终将青霉素的产量，提高到每毫升5-6万个单位，最终这两人与弗莱明，共同获得了1945年的诺贝尔生理学或医学奖。

弗莱明

弗洛里

钱恩

青霉素问世之后，又有一大批抗生素类药物相继问世，它们都是通过生物工程的方法生产出来的。有了抗生素，人类面对细菌的战斗力大幅增强，短短几年内，婴儿的死亡率就显著降低，人类的平均寿命，也大幅延长。

化学工业给人类健康带来改变的另一种方式，便是制药。由于化学工业的发展，对于制造各种结构复杂的化合物，人类越来越得心应手，理论上说，能够限制人类设计未知化合物的，只有几条基本的化学规律，以及人类自身的想象力。如此多的物质，它们对人体、对疾病的作用会是怎么样，不管答案是什么，人类已经在这条茫茫的找药路上，获得了累累硕果。

早在19世纪上半叶，科学家就已经从药用植物中，提取出阿托品、吗啡、奎宁等成分作为药物，拯救了不计其数的生命。同时，也正是这些有效成分的分离，为化学药品的发展，奠定了基础。当然只是简单的提取，人类还不满足，随着对天然药物化学结构的认识水平不断提高，科学家逐渐开始尝试，对其进行化学改造，或是直接进行人工合成，这就是所谓的化学制药。最终经过一番自我奋斗之后，到19世纪末期，化学制药工业，已经初具雏形。1910年，德国医学家保罗·欧立希与日本学者秦佐八郎，发明了第一个治疗梅毒的药物——砷凡纳明606，保健的后顾之忧，大大减少。1930年，人工合成的抗菌药——磺胺类药被合成，随后，半合成的抗生素与人工合成的激素类药物，也相继问世。到今天，从治疗头疼脑热的扑热息痛，到让你雄风不倒的蓝色小药丸，无一不是化学工业的伟大成就，虽然我们仍旧无法摆脱疾病，但毫无疑问，人类对抗病魔的能力正在逐渐增强。

欧立希与秦佐八郎

化学工业带来的下一个改变，同样也是一个天坑专业，这就是高分子材料。世界上有三大合成材料——化纤、人造橡胶和塑料，它们都是石油产业的下游产品，让人类使用的有机材料，从天然的狭小范围中解放出来，从此，人类可以按照需要，定制自己所需的材料，当然了这三种材料，也无一例外都属于合成高分子材料。这其中所谓的高分子，指的就是分子质量很高。分子质量之所以高，原因就是它们实际上，都是由比较小的分子，通过一定的化学反应互相连接起来，最终形成一条条特别长的线，其实这几种材料，我们过去节目都曾经唠过，今天再简单炒一个冷饭。

首先看人造橡胶。在很久以前，人类就已经开始采集橡胶树上的胶乳，经过凝固干燥后，制成天然橡胶，天然橡胶的弹性非常好，适合制成轮胎以及其他弹性制品。但是天然橡胶也有个缺点，这就是受外在环境的影响十分大，受热就会发粘，受冷又会变硬，所以在比较特殊的环境下，橡胶强度损失得就比较厉害。1839年，美国发明家查尔斯·固特异，使用硫磺和橡胶助剂，加热天然橡胶，使其交联成弹性体，应用于轮胎及其他橡胶制品，结果性能非常好，并马上得到广泛应用，后来固特异成立了一家公司，这就是直到今天依然存在的固特异轮胎。合成橡胶的出现，是高分子化工的萌芽，而当世界大战开打之后，天然橡胶变得十分紧俏，再加上当时海运受阻，进口的渠道也被堵死，于是各个参战国，都开始积极研究合成橡胶替代天然橡胶。1937年，德国法本公司成功开发了由苯乙烯和丁二烯共聚合成的丁苯橡胶，之后，各国又陆续开发出了顺丁、基丁、氯丁、丁腈、异戊、乙丙等多种合成橡胶，它们各有不同的特性和用途。到今天，几乎所有的需要使用天然橡胶的场合，基本都可以被合成橡胶替代。

天然橡胶

固特异

丁苯橡胶

第二大高分子材料就是化纤，化纤也被称作人造纤维，所谓的人造纤维，是相对于棉、麻、蚕丝、毛等天然纤维而言的。人类对天然纤维的使用，由来已久，不过随着地球人口不断增多，天然纤维在产量上，无法满足所有人的需求，薅羊毛根本不赶趟。于是有人开始尝试，能否用人工合成的方法，制造出服装用的纤维。1891年，法国化学家夏尔多内在法国的贝桑松，建成了第一个硝酸纤维素人造丝厂，由此拉开了纤维人工合成的序幕。1937年，受雇于杜邦化学公司的美国化学家华莱士·卡罗瑟斯，成功合成了尼龙66，这是人造纤维史上的重大标志性事件，因为尼龙展现出了无与伦比的优异性能，它的强度之高，甚至可以用作降落伞。后来，涤纶、维尼纶、腈纶、锦纶、氨纶等也陆续投产，由于有石油化工为其原料保证，所以合成纤维逐渐占据了天然纤维的市场。

人造丝工业之父——夏尔多内

卡罗瑟斯与尼龙

最后一种高分子材料，那就更厉害了，这就是塑料，事实上，塑料和人造橡胶，基本上就是同一个东西，本质上看，都是高分子聚合物的一堆无序缠绕的长链。不过由于不同聚合物之间的范德华力不同，所以就导致高分子固体，在不同温度下的表现形态是不同的。对于高分子固体来说，温度较高时，它们呈现为一种橡胶般的柔软高弹性状态，温度较低时，则会变成类似于玻璃一样硬而脆的固体，而处在两个温度区域之间的交界点的温度，就被称为高分子的“玻璃化转变温度”。所以橡胶一般是玻璃化温度较低的聚合物，而塑料就是玻璃化温度较高的聚合物。

1869年，美国化学家海厄特，利用樟脑增塑硝酸纤维素，制成了赛璐珞塑料，直到今天，还依然很有使用价值，1909年，美国化学家贝克兰，又制成了酚醛树脂，俗称电木粉，这是第一种热固性树脂，可以广泛用于电器的绝缘材料。后来，脲醛树脂、醇酸树脂等热固性树脂，也相继出现。30年代之后，用途更为广泛的热塑性树脂，开始大量涌现，比如说我们常见的聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，都属于这一家族。同一时期，还出现了一大批耐高温、抗腐蚀的材料，比如有机硅树脂、氟树脂等，其中的聚四氟乙烯，更是有塑料之王的美誉，我们平日用的不粘锅，就是在铁锅的表面涂上了一层聚四氟乙烯。

乒乓球由赛璐璐塑料制成

贝克兰

酚醛树脂常见的排水管都为聚氯乙烯

不粘锅的不粘层是聚四氟乙烯