CHƯƠNG 5 CÁC HỢP CHẤT NITRO

CHIẾC TẠP DỀ phát nổ của vợ Schönbein không phải là ví dụ đầu tiên về chất nổ nhân tạo, và nó hiển nhiên cũng không phải là ví dụ cuối cùng. Khi phản ứng hóa học xảy ra vô cùng nhanh, chúng có thể tạo ra một năng lượng khủng khiếp. Cellulose chỉ là một trong số rất nhiều các phân tử con người tìm cách biến đổi để tận dụng những tiềm năng của phản ứng nổ. Một số hợp chất nổ đã mang lại nguồn lợi nhuận khổng lồ, một số khác đã tạo ra những sự phá hủy quy mô lớn. Thông qua khả năng gây nổ của mình, các hợp chất này đã để lại dấu ấn sâu sắc trong lịch sử thế giới.

Cho dù cấu trúc của các phân tử gây nổ rất đa dạng, nhưng thông thường chúng có chứa nhóm nitro. Sự kết hợp nhỏ bé giữa các nguyên tử, một nitơ và hai oxy, NO2, được gắn vào một vị trí thích hợp, đã tăng cường đáng kể khả năng tiến hành chiến tranh của con người, thay đổi số phận của các quốc gia, và - hiểu theo nghĩa đen - cho phép chúng ta di dời cả những quả núi.

Thuốc súng - chất nổ đầu tiên

Thuốc súng (hay thuốc nổ đen), loại hỗn hợp nổ đầu tiên được phát minh, đã được sử dụng từ thời xa xưa ở Trung Quốc, Ả Rập và Ấn Độ. Các văn bản Trung Quốc đầu tiên đã đề cập đến “hóa chất lửa” hoặc “thuốc lửa”. Thành phần của hỗn hợp này không được ghi chép lại cho đến tận những năm 1000 SCN, và thậm chí vào lúc này, tỷ lệ chính xác của các thành phần bao gồm muối nitrate, lưu huỳnh và carbon cũng không được đề cập. Muối nitrate (thường được gọi là diêm tiêu hoặc “tuyết Trung Hoa”) thực ra là kali nitrate, công thức hóa học KNO3. Carbon trong thuốc súng là dạng than gỗ và làm cho hỗn hợp bột có màu đen.

Thuốc súng ban đầu được sử dụng làm pháo và pháo hoa, nhưng đến khoảng giữa thế kỷ 11, các vật thể bốc cháy - được dùng như vũ khí và gọi là các mũi tên lửa - được bắn đi nhờ thuốc súng. Năm 1067, người Trung Quốc đã đặt việc sản xuất lưu huỳnh và diêm tiêu dưới sự quản lý và kiểm soát của chính phủ.

Chúng ta không biết được chính xác thuốc súng du nhập vào châu Âu khi nào. Roger Bacon, một thầy tu dòng Francis sinh ra tại nước Anh và học tập tại đại học Oxford và đại học Paris, đã viết về thuốc súng vào khoảng năm 1260, nhiều năm trước khi nhà thám hiểm Marco Polo trở về Venice với những câu chuyện về thuốc súng ở Trung Quốc. Bacon là một nhà vật lý và nhà thực hành, am hiểu các ngành khoa học mà giờ đây chúng ta gọi là thiên văn học, hóa học, và vật lý học. Ông thành thạo tiếng Ả Rập, và dường như ông đã học về thuốc súng từ những bộ tộc du mục Saracen sinh sống như những người trung gian giữa phương Đông và phương Tây. Chắc hẳn Bacon đã rất lo lắng về khả năng phá hủy tiềm tàng trong thuốc súng, nên những mô tả của ông về thành phần của hỗn hợp này được viết dưới dạng phép đảo chữ bí ẩn, cần được giải mã để có thể biết được tỷ lệ hỗn hợp nổ: diêm tiêu bảy phần, than gỗ năm phần và lưu huỳnh năm phần. Mật mã của Bacon không có lời giải trong suốt 650 năm trước khi một vị thiếu tá quân đội Anh quốc giải mã được nó. Tất nhiên là đến khi đó, thuốc súng đã được sử dụng trong hàng thế kỷ.

Ngày nay, thành phần thuốc súng đã có chút thay đổi, nhưng chứa một lượng diêm tiêu lớn hơn nhiều lần so với công thức của Bacon. Phản ứng hóa học xảy ra khi thuốc súng nổ tung có thể được mô tả bằng phương trình hóa học dưới đây.

Phương trình hóa học này cho ta biết tỷ lệ của các hóa chất ban đầu tham gia phản ứng và tỷ lệ các sản phẩm tạo thành. Ký hiệu (s) nghĩa là hợp chất ở thể rắn (solid), và (g) là ở thể khí (gas). Có thể thấy rằng tất cả các nguyên liệu đều ở thể rắn, nhưng có tám phân tử khí được tạo thành: ba phân tử carbon dioxide; ba phân tử carbon monoxide và hai phân tử nitơ. Chính các phân tử khí nóng và giãn nở tạo thành từ sự cháy rất nhanh của thuốc súng tạo ra động lực để bắn các viên đạn súng trường hoặc đạn đại bác. Các phân tử kali carbonate và kali sulfide thể rắn được hình thành ở dạng các hạt muội nhỏ tạo nên màn khói dày, đặc trưng cho thuốc súng khi nổ.

Được chế tác lần đầu vào khoảng thời gian từ 1300 đến 1325, loại súng cầm tay đầu tiên, súng kíp, là một ống sắt nhồi thuốc súng được kích cháy bằng một sợi ngòi đốt nóng. Khi các loại súng cầm tay tinh vi hơn dần được phát triển (súng hỏa mai, súng nòng dài, súng kíp bánh xe), nhu cầu về mức độ phát cháy khác nhau của thuốc súng đã trở nên cấp thiết. Súng lục cần thuốc súng cháy nhanh, súng trường cần loại cháy chậm, đại bác và tên lửa cần loại thuốc cháy chậm hơn nữa. Hỗn hợp nước và cồn được dùng để sản xuất thuốc súng dạng bánh và có thể được nghiền và rây để chọn ra các loại thuốc súng có kích thước mịn, trung bình và thô. Thuốc súng càng mịn thì tốc độ cháy càng nhanh, do đó đã có thể sản xuất thuốc súng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Nước sử dụng trong hỗn hợp thường là nước tiểu của công nhân trong nhà máy thuốc súng. Nước tiểu của một người nghiện rượu nặng được cho là sẽ tạo ra loại thuốc súng có sức công phá mạnh. Nhiều người cũng tin rằng nước tiểu của một tu sĩ, hoặc tốt hơn nữa là của một giám mục, sẽ tạo thành sản phẩm thuốc súng ưu việt.

Hóa học cháy nổ

Việc tạo ra các khí và sự giãn nở vô cùng nhanh dưới tác động của nhiệt sinh ra bởi phản ứng chính là động lực của chất nổ. Với cùng khối lượng, các chất khí có thể tích lớn hơn nhiều so với chất lỏng hoặc chất rắn. Sức phá hủy của một vụ nổ là do sóng xung kích được tạo thành từ sự gia tăng nhanh chóng thể tích của các chất khí được sinh ra. Sóng xung kích do thuốc súng tạo ra di chuyển với tốc độ khoảng 100 mét/giây, nhưng với trường hợp thuốc nổ mạnh (TNT hoặc nitroglycerin), tốc độ của sóng xung kích có thể lên tới 6.000 mét/giây.

Tất cả các phản ứng nổ đều tạo ra một lượng nhiệt rất lớn. Các phản ứng như vậy được gọi là các phản ứng tỏa nhiệt mạnh. Một lượng lớn nhiệt sinh ra một cách đột ngột làm tăng thể tích của các khí - nhiệt độ càng cao thì thể tích khí càng lớn. Nhiệt sinh ra từ sự khác biệt về năng lượng giữa các phân tử ở mỗi vế của phương trình phản ứng nổ. Các phân tử được tạo thành (ở vế phải của phương trình) chứa ít năng lượng hơn trong các liên kết hóa học của chúng so với các chất tham gia phản ứng (ở vế trái). Các sản phẩm tạo thành bền hơn so với các tác chất. Trong phản ứng nổ của các hợp chất nitro, một phân tử vô cùng bền là nitơ, N2, được tạo thành. Độ bền của phân tử N2, là do trong phân tử này có một liên kết ba rất mạnh gắn chặt hai nguyên tử nitơ lại với nhau.

Cấu trúc của phân tử N2

Liên kết ba là một liên kết rất mạnh, nghĩa là cần rất nhiều năng lượng để có thể phá vỡ được nó. Ngược lại, khi liên kết ba hình thành, rất nhiều năng lượng được phát ra, đây chính là điều ta mong muốn ở một phản ứng nổ.

Bên cạnh việc sinh nhiệt và tạo ra các phân tử khí, tính chất quan trọng thứ ba của các phản ứng nổ là chúng phải xảy ra với tốc độ cực nhanh. Nếu phản ứng nổ xảy ra chậm, nhiệt sinh ra sẽ bị tiêu tán, và các phân tử khí sẽ khuếch tán vào môi trường xung quanh mà không tạo ra được sự tăng áp suất mãnh liệt, sóng xung kích gây tổn hại và nhiệt độ cao đặc trưng của một vụ nổ. Khí oxy cần thiết cho phản ứng nổ phải được chính phân tử gây nổ cung cấp. Không thể lấy oxy từ không khí vì oxy trong khí quyển không thể cung cấp đủ nhanh cho phản ứng. Do vậy các hợp chất nitro, với các nguyên tử nitơ và oxy liên kết với nhau thường có khả năng nổ mạnh, trong khi đó các hợp chất khác cũng chứa nitơ và oxy, nhưng không liên kết với nhau, thường không nổ.

Điều này có thể được minh họa bằng các đồng phân, là các hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng khác về cấu trúc. Cả hai hợp chất para-nitrotoluene và para-aminobenzoic acid đều có bảy nguyên tử carbon, bảy nguyên tử hydro và hai nguyên tử oxy với công thức phân tử C7H7NO2, nhưng các nguyên tử có sự sắp xếp khác nhau trong mỗi phân tử.

Para- hay p-nitrotoluene (tiền tố para cho ta biết các nhóm CH3 và NO3 ở hai đầu đối nhau trong phân tử) có khả năng nổ cao, trong khi p-aminobenzoic acid không thể nổ. Thực tế, bạn đã từng bôi p-aminobenzoic acid lên da vào mùa hè, nó chính là PABA, một thành phần chính trong rất nhiều sản phẩm kem chống nắng. Các hợp chất như PABA hấp thu tia cực tím ở những bước sóng gây hại nhiều nhất cho da. Khả năng hấp thu tia cực tím tại những bước sóng nhất định phụ thuộc vào sự có mặt của các liên kết đơn và liên kết đôi sắp xếp xen kẽ trong hợp chất, đồng thời cũng phụ thuộc vào sự có mặt của các nguyên tử nitơ và oxy. Sự khác biệt về số lượng liên kết hoặc số nguyên tử của kiểu sắp xếp xen kẽ này thay đổi các bước sóng mà hợp chất hấp thu. Các hợp chất khác có thể hấp thu tia cực tím tại bước sóng yêu cầu đều có thể được sử dụng làm kem chống nắng, với điều kiện chúng không dễ dàng bị nước rửa trôi, không có độc tố hoặc gây dị ứng da, không có mùi hoặc vị khó chịu và không bị phân hủy dưới ánh nắng mặt trời.

Mức độ gây nổ của một phân tử nitrate hóa phụ thuộc vào số nhóm nitro có mặt trong phân tử đó. Nitrotoluene chỉ chứa một nhóm nitro. Tiếp tục nitrate hóa hợp chất này sẽ đưa được vào thêm một hoặc hai nhóm nitro nữa, tạo thành các hợp chất di- hoặc trinitrotoluene tương ứng. Tất nhiên nitrotoluene và dinitrotoluene đều có khả năng phát nổ, nhưng các hợp chất này không có sức công phá khủng khiếp như phân tử trinitrotoluene (TNT).

Các nhóm nitro được chỉ ra bởi các mũi tên.

Các tiến bộ trong lĩnh vực chất nổ được tiến hành vào khoảng thế kỷ 19, khi các nhà hóa học bắt đầu nghiên cứu về những ảnh hưởng của nitric acid đối với các hợp chất hữu cơ. Chỉ vài năm sau khi Friedrich Schönbein phá hủy chiếc tạp dề của vợ với các thí nghiệm của mình, một nhà hóa học người Italy sống ở Turin, Ascanio Sobrero, đã điều chế được một phân tử nitro gây nổ mạnh mẽ. Sobrero đã nghiên cứu ảnh hưởng của nitric acid lên một hợp chất hữu cơ khác. Ông nhỏ glycerol, còn được gọi là glycerin và có thể thu được dễ dàng từ mỡ động vật, vào hỗn hợp sulfuric acid và nitric acid nguội, sau đó đổ dung dịch thu được vào nước. Một lớp dầu được tách ra, ngày nay nó được biết đến là nitroglycerin. Sử dụng một phương thức rất phổ biến vào thời của Sobrero nhưng rất khó tin trong thời nay, Sobero đã nếm thử hợp chất mới và ghi lại nhận xét của mình: “nếm một lượng rất nhỏ nhưng không nuốt xuống gây ra những cơn đau đầu rung giật khủng khiếp, cùng với cảm giác yếu ớt và run rẩy ở tay chân”.

Các nghiên cứu sau này về những cơn đau đầu kịch liệt của các công nhân làm việc trong ngành công nghiệp chất nổ đã cho thấy rằng các cơn đau đầu là do sự giãn nở các mạch máu xảy ra khi tiếp xúc với nitroglycerin. Phát hiện này dẫn đến kết quả là nitroglycerin được chỉ định làm thuốc điều trị bệnh tim mạch liên quan đến các cơn đau thắt ngực.

Đối với những người mắc chứng bệnh này, việc làm giãn nở các mạch máu hẹp cung cấp máu đến cơ tim sẽ cho phép đủ lượng máu cần thiết lưu thông và làm giảm các cơn đau thắt. Hiện nay chúng ta biết rằng trong cơ thể, nitroglycerin giải phóng một phân tử đơn giản là nitric oxide (NO), và phân tử này có tác dụng làm giãn mạch máu. Các nghiên cứu về nitric oxide đã dẫn đến việc phát minh loại thuốc chống bất lực gọi là Viagra, dựa trên khả năng làm giãn mạch máu của nitric oxide.

Các chức năng sinh lý khác của nitric oxide bao gồm khả năng duy trì huyết áp, hoạt động như phân tử truyền tin truyền tín hiệu giữa các tế bào, thiết lập trí nhớ dài hạn, và hỗ trợ tiêu hóa. Các loại thuốc điều trị cao huyết áp cho trẻ sơ sinh và các nạn nhân bị sốc đã được phát triển từ những nghiên cứu về nitric oxide. Giải Nobel y học năm 1998 được trao cho Robert Furchgott, Louis Ignarro, và Ferid Murad với việc phát hiện ra vai trò của nitric oxide trong cơ thể. Thế nhưng, một điều trớ trêu trong ngành hóa học là Alfred Nobel, người sở hữu khối gia sản đồ sộ có được từ nitroglycerin và đã dùng chúng để lập ra giải thưởng Nobel, đã từ chối dùng nitroglycerin để điều trị chứng đau ngực xuất phát từ bệnh tim của ông. Nobel không tin hóa chất này có thể giúp ích, ông chỉ tin rằng nitroglycerin gây ra các cơn đau đầu mà thôi.

Nitroglycerin là một phân tử rất không bền, phát nổ khi được nung nóng hoặc khi va chạm mạnh. Phản ứng nổ của nitroglycerin xảy ra như sau:

tạo thành một đám mây khí giãn nở cực nhanh và một lượng nhiệt khổng lồ. Trái với trường hợp thuốc súng, chỉ tạo ra áp suất khoảng 6.000 atm trong vài phần ngàn giây, một lượng nitroglycerin tương đương tạo ra áp suất lên đến 270.000 atm chỉ trong vòng vài phần triệu giây. Thuốc súng có thể được bảo quản tương đối an toàn, nhưng nitroglycerin là một phân tử rất khó đoán và có thể tự phát nổ khi bị nóng lên hoặc va chạm. Do vậy, cần phải có một phương pháp an toàn và đáng tin cậy để xử lý và bảo quản hoặc kích nổ nitroglycerin.

Ý tưởng về dynamite của Nobel

Alfred Bernard Nobel, sinh năm 1833 tại Stockholm, có ý tưởng dùng sự nổ của một lượng rất nhỏ thuốc súng để kích nổ một lượng lớn nitroglycerin, thay cho ngòi nổ, là phương pháp chỉ làm cho nitroglycerin cháy một cách chậm chạp. Đây là một ý tưởng tuyệt vời; nó đã hoạt động, và cho đến ngày nay ý tưởng này vẫn được sử dụng trong rất nhiều vụ nổ có điều khiển thường xuyên xảy ra trong công nghiệp xây dựng và công nghiệp mỏ. Mặc dù đã giải quyết được vấn đề kích nổ theo mong muốn, Nobel vẫn phải đối mặt với vấn đề ngăn chặn hiện tượng tự phát nổ không mong muốn.

Gia đình Nobel có một nhà máy sản xuất và phân phối thuốc nổ, và từ năm 1864, nhà máy đã bắt đầu sản xuất nitroglycerin cho các ứng dụng công nghiệp như phá hầm và phá mỏ. Vào tháng 9 năm đó, một phòng thí nghiệm của gia đình ông ở Stockholm đã phát nổ, năm người thiệt mạng, trong đó có cả em trai Emil của Alfred Nobel. Cho dù nguyên nhân của vụ nổ không bao giờ được xác định, chính quyền Stockholm vẫn cấm sản xuất nitroglycerin. Không nhụt chí, Nobel đã xây dựng một phòng thí nghiệm đặt trên phà và neo nó tại hồ Mälaren, vừa đúng ngoài địa phận của Stockholm. Nhu cầu về nitroglycerin ngày càng tăng một cách nhanh chóng khi những ưu điểm của nó so với loại thuốc súng có sức nổ yếu hơn được biết đến rộng rãi. Đến năm 1868, Nobel đã xây dựng và đưa vào hoạt động các nhà máy sản xuất tại mười một nước châu Âu và thậm chí đã mở rộng thị trường đến Mỹ, với một công ty đặt tại San Francisco.

Nitroglycerin thường bị nhiễm một lượng acid sử dụng trong quá trình sản xuất, và vì vậy có xu hướng phân hủy với tốc độ chậm. Những chất khí sinh ra trong quá trình phân hủy sẽ làm bật nắp các hộp kẽm chứa nitroglycerin khi vận chuyển. Ngoài ra, lượng acid lẫn trong nitroglycerin có thể ăn mòn kẽm và làm cho hộp kẽm bị rò rỉ. Các vật liệu đóng gói như mạt cưa được dùng để cách ly các hộp kẽm và hấp thu nitroglycerin rò rỉ hoặc tràn ra ngoài hộp, nhưng những biện pháp phòng ngừa như vậy vẫn không đủ và không đảm bảo được an toàn. Sự thiếu hiểu biết và những thông tin sai lệch thường dẫn đến những tai nạn khủng khiếp. Cách xử lý không phù hợp diễn ra rất thường xuyên. Trong một trường hợp, dầu nitroglycerin đã được dùng làm dầu nhờn bôi trơn cho bánh xe của chiếc xe vận chuyển loại thuốc nổ này, hậu quả thảm khốc đã xảy ra. Năm 1866, một chuyến hàng nitroglycerin bị kích nổ tại nhà kho Wells Fargo ở San Francisco, giết chết mười bốn người. Cũng cùng năm đó, chiếc tàu chạy bằng hơi nước S.S. European, tải trọng 17.000 tấn, đã phát nổ khi đang dỡ chuyến hàng nitroglycerin trên bến cảng ở bờ Đại Tây Dương của Panama, làm thiệt mạng 47 người và gây ra thiệt hại hơn một triệu dollar. Cũng trong năm 1866, những vụ nổ đã san bằng các nhà máy sản xuất nitroglycerin tại Đức và Na Uy. Giới cầm quyền trên toàn thế giới bắt đầu e ngại. Pháp và Bỉ đã cấm sử dụng và lưu hành nitroglycerin, và các hành động tương tự đã được đề nghị tại nhiều quốc gia khác, mặc cho nhu cầu sử dụng loại thuốc nổ vô cùng mạnh mẽ này vẫn ngày càng tăng lên.

Nobel bắt đầu tìm kiếm cách thức để ổn định nitroglycerin mà không làm mất đi sức nổ của phân tử này. Hóa rắn dường như là một phương pháp khả thi, vì vậy, ông đã thử nghiệm bằng cách trộn chất lỏng nitroglycerin dạng dầu với các chất rắn trung tính như mạt cưa, xi măng và bột than chì. Cho đến nay, vẫn có những hoài nghi về sản phẩm chúng ta gọi là “thuốc nổ dynamite”, rằng nó là sản phẩm của một nghiên cứu có hệ thống, điều Nobel luôn khẳng định, hay chỉ là kết quả của một sự khám phá ngẫu nhiên. Thậm chí nếu phát hiện đó chỉ là sự may mắn, Nobel cũng đủ sắc sảo để nhận thấy rằng khoáng chất kieselguhr, hay là đất tảo cát, một loại vật liệu silic hạt mịn sẵn có trong thiên nhiên mà thỉnh thoảng được dùng để thay thế mạt cưa làm vật liệu đóng gói, có khả năng thấm hút nitroglycerin lỏng bị rò rỉ và vẫn giữ được độ xốp của nó. Khoáng chất kieselguhr, cũng còn được biết với tên gọi đất diatomite, là những gì còn lại của các sinh vật biển nhỏ bé và có nhiều ứng dụng khác như dùng làm chất lọc trong nhà máy lọc nước, chất cách nhiệt, hoặc chất mài bóng kim loại. Các thử nghiệm tiếp theo cho thấy khi trộn nitroglycerin lỏng với một lượng khoáng chất kieselguhr khoảng ⅓ khối lượng nitroglycerin sẽ tạo thành một hỗn hợp dẻo có độ nhão ổn định. Khoáng chất kieselguhr có tác dụng pha loãng nitroglycerin; khi các giọt nitroglycerin được tách ra xa nhau, tốc độ phân hủy của nó sẽ giảm. Như vậy, hiệu ứng nổ đã có thể được kiểm soát.

Nobel đặt tên cho hỗn hợp nitroglycerin/kieselguhr là dynamite, từ tiếng Hy Lạp là dynamis hay sức mạnh. Dynamite có thể được đổ khuôn để tạo ra bất cứ hình dạng và kích thước nào, khó phân hủy và cũng không phát nổ một cách bất ngờ. Đến năm 1867, Nobel và Công ty, tên gọi lúc này của công ty gia đình Nobel, bắt đầu phân phối dynamite, lúc bấy giờ vừa được cấp bằng sáng chế với tên gọi “thuốc nổ an toàn của Nobel”. Chẳng bao lâu sau đó, các nhà máy dynamite của gia đình Nobel được mở ra trên khắp thế giới, và sự giàu có của gia đình ông cũng được đảm bảo kể từ đó.

Việc Alfred Nobel, một nhà sản xuất đạn dược, đồng thời cũng là một người yêu chuộng hòa bình dường như là một nghịch lý, thế nhưng cuộc đời của Nobel đầy những nghịch lý như vậy. Khi còn là một đứa trẻ, ông rất ốm yếu và không nhiều hy vọng có thể sống đến tuổi trưởng thành, thế nhưng ông đã sống lâu hơn cả cha mẹ và các anh em của mình, ông được mô tả bằng nhiều cụm từ có vẻ như trái ngược nhau như nhút nhát, cực kỳ chu đáo, bị ám ảnh bởi công việc, vô cùng đa nghi, cô đơn, rất khoan dung. Nobel có niềm tin vô cùng vững chắc là việc phát minh một vũ khí hủy diệt khủng khiếp có thể đóng vai trò vật ngăn cản chiến tranh và giúp cho hòa bình được duy trì mãi mãi trên thế giới, nhưng sau hơn một thế kỷ, với hàng loạt các vũ khí hủy diệt đã được thiết kế và chế tạo, niềm hy vọng đó vẫn không thể trở thành hiện thực. Ông mất vào năm 1896, khi đang một mình miệt mài bên bàn làm việc tại nhà ông ở San Remo, Italy. Gia sản khổng lồ ông để lại được dùng làm giải thưởng hằng năm cho các nghiên cứu hóa học, vậy lý, y học, văn học và hòa bình. Vào năm 1968, để tưởng nhớ Alfred Nobel, ngân hàng Thụy Điển đã lập ra giải thưởng về kinh tế. Mặc dù hiện nay giải thưởng này được gọi là giải Nobel, nhưng nó không phải là một phần trong di chúc ban đầu của Nobel.

Chiến tranh và thuốc nổ

Phát minh của Nobel không thể dùng làm thuốc phóng cho đầu đạn, bởi lẽ các khẩu súng không chịu được sức nổ quá mạnh của dynamite. Tuy vậy, các nhà quân sự vẫn muốn có một loại thuốc nổ mạnh hơn thuốc súng, một loại đạn không tạo ra khói đen, dễ kiểm soát và dễ nạp. Từ đầu những năm 1880, các công thức khác nhau của nitrocellulose (bông thuốc súng) hoặc hỗn hợp nitrocellulose với nitroglycerin đã được sử dụng làm “thuốc súng không khói”, và các hỗn hợp này vẫn được dùng cho súng cầm tay đến tận ngày nay. Đại bác và các loại pháo hạng nặng khác không bị giới hạn về loại thuốc phóng. Trong Thế Chiến I, đạn dược được làm chủ yếu từ picric acid và trinitrotoluene. Picric acid được điều chế từ năm 1771, là một loại bột màu vàng nhạt, ban đầu được sử dụng làm thuốc nhuộm nhân tạo cho tơ và len. Hợp chất này được tổng hợp khá dễ dàng bằng cách nitrate hóa ba lần phân tử phenol.

Năm 1871, người ta phát hiện ra rằng có thể làm cho picric acid phát nổ nếu sử dụng một chất kích nổ đủ mạnh. Phát hiện này đã được người Pháp sử dụng trong đạn pháo vào năm 1885, sau đó là người Anh trong suốt cuộc chiến Boer từ năm 1899 đến 1902. Tuy nhiên, rất khó kích nổ picric acid nếu nó bị ướt, dẫn đến việc đạn không nổ dưới điều kiện thời tiết ẩm ướt hoặc trời mưa. Bên cạnh đó, tính acid của picric acid sẽ phản ứng với vỏ kim loại của viên đạn tạo thành hợp chất “picrates” rất nhạy với chấn động. Điều này khiến cho viên đạn phát nổ ngay khi tiếp xúc, ngăn cản chúng xuyên qua lớp áo giáp bảo vệ dày.

Một hợp chất gần giống picric acid về mặt hóa học, trinitrotoluene, vẫn hay được gọi là TNT từ ba chữ viết tắt của tri, nitro và toluene, phù hợp hơn để làm đạn dược.

TNT không có tính acid, không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và có nhiệt độ nóng chảy khá thấp, vì vậy hợp chất này có thể được dễ dàng nấu chảy và rót vào vỏ bom hoặc vỏ đạn. Ngoài ra, do khó bị kích nổ hơn picric acid, TNT chịu được sự va chạm mạnh hơn và do đó có khả năng xuyên qua giáp tốt hơn. TNT có tỷ lệ giữa oxy và carbon thấp hơn trong nitroglycerin, nên các nguyên tử carbon trong TNT không chuyển hóa hoàn toàn thành carbon dioxide cũng như hydro không chuyển hóa hoàn toàn thành nước. Phản ứng nổ có thể được biểu diễn như sau:

Carbon sinh ra trong phản ứng này tạo nên một lượng khói rất lớn, đặc trưng cho các vụ nổ TNT, khác với khi nitroglycerin hay bông thuốc súng phát nổ.

Vào đầu Thế Chiến I, nước Đức, sử dụng đạn dược chứa TNT, đã có những ưu thế rõ ràng so với Pháp và Anh, lúc này vẫn chỉ sử dụng picric acid. Anh quốc đã triển khai một chương trình khẩn cấp để sản xuất TNT và được hỗ trợ bởi một lượng lớn nguyên liệu chuyển về từ các nhà máy sản xuất ở Mỹ, cho phép Anh quốc nhanh chóng phát triển được đạn dược và bom chứa phân tử nổ hết sức quan trọng này với chất lượng tương tự của Đức.

Trong Thế Chiến I, một phân tử khác, ammonia (NH3), đã trở nên vô cùng thiết yếu. Tuy không phải là một hợp chất nitro, nhưng ammonia là nguyên liệu để sản xuất nitric acid, HNO3, hợp chất cần thiết để sản xuất thuốc nổ. Nitric acid đã được biết đến từ rất lâu. Jabir ibn Hayyan, nhà giả kim Hồi giáo kiệt xuất sống vào khoảng năm 800 SCN, đã biết về nitric acid, và dường như ông đã điều chế ra hợp chất này bằng cách nung nóng diêm tiêu (kali nitrate) với sắt sulfate (vào thời đó được gọi là đồng xanh vì tinh thể của nó có màu xanh lá cây). Chất khí sinh ra từ phản ứng, nitơ dioxide (NO2), được sủi bọt vào nước tạo thành dung dịch nitric acid loãng.

Các hợp chất nitrate không được tìm thấy trong tự nhiên, bởi chúng rất dễ tan trong nước và có xu hướng bị rửa trôi, nhưng ở vùng sa mạc cực kỳ khô cằn tại phía bắc Chile có những mỏ natri nitrate rất lớn (NaNO3, vẫn được gọi là diêm tiêu Chile), đã được khai thác triệt để và sử dụng làm nguyên liệu trực tiếp để sản xuất nitric acid trong hai thế kỷ vừa qua. Natri nitrate được đun nóng với sulfuric acid. Nitric acid tạo thành thoát ra khỏi hỗn hợp do nó có nhiệt độ sôi thấp hơn sulfuric acid. Sau đó hơi nitric acid được ngưng tụ và thu lại trong các bình ngưng tụ.

Trong Thế Chiến I, nguồn cung cấp diêm tiêu Chile đến Đức hoàn toàn bị cắt đứt do sự phong tỏa của Hải quân Anh. Các hợp chất nitrate là các hóa chất chiến lược cần thiết để điều chế thuốc nổ, vì vậy nước Đức cần phải tìm một nguồn cung cấp khác.

Trong khi các hợp chất nitrate không dồi dào, thì hai nguyên tử cấu thành nên chúng là nitơ và oxy lại sẵn có trong tự nhiên với số lượng lớn. Bầu khí quyển được tạo thành từ khoảng 20% oxy và 80% nitơ. Oxy (O2) có hoạt tính hóa học cao, dễ dàng kết hợp với rất nhiều các nguyên tố khác, trong khi đó phân tử nitơ (N2) lại là một chất khí khá trơ. Vào những năm đầu thế kỷ 20, các phương pháp “cố định” nitơ - nghĩa là lấy nitơ từ không khí bằng các phản ứng với các nguyên tố khác - cũng đã được biết đến, nhưng chỉ ở mức độ sơ khai.

Trong một thời gian dài, nhà hóa học người Đức, Fritz Haber, đã nghiên cứu quá trình kết hợp nitơ trong không khí với hydro để tạo thành ammonia.

Haber đã giải quyết được vấn đề sử dụng khí nitơ trơ trong không khí để tạo thành một lượng ammonia tối đa với chi phí tối thiểu bằng cách áp dụng điều kiện phản ứng tại áp suất cao, với nhiệt độ phản ứng trong khoảng 400 đến 500°C, và nhanh chóng tách ammonia ra khỏi hỗn hợp phản ứng ngay khi nó được tạo thành. Phần lớn công việc của Haber liên quan đến việc tìm ra một chất xúc tác nhằm tăng tốc độ của phản ứng xảy ra đặc biệt chậm này. Các nghiên cứu của ông đặt trọng tâm vào việc tạo ra ammonia để cung cấp cho công nghiệp phân bón. Vào thời kỳ này, ⅔ nhu cầu phân bón trên thế giới được cung cấp từ các mỏ diêm tiêu ở Chile; khi các mỏ quặng này ngày càng cạn kiệt, phương pháp tổng hợp ammonia đã được nghiên cứu và phát triển. Vào năm 1913, nhà máy sản xuất ammonia nhân tạo đầu tiên trên thế giới đã được xây dựng tại Đức, và khi sự phong tỏa của Anh quốc cắt đứt nguồn cung cấp diêm tiêu từ Chile, quá trình tổng hợp Haber, như nó được biết cho đến ngày nay, đã được áp dụng nhanh chóng cho nhiều nhà máy khác để cung cấp ammonia không chỉ cho công nghiệp phân bón, mà cả đạn dược và thuốc nổ. Ammonia được cho phản ứng tiếp với oxy để tạo thành nitơ dioxide, tiền chất của nitric acid. Đối với nước Đức, với ammonia cho phân bón và nitric acid để tạo nên các hợp chất nổ nitro, sự phong tỏa của Anh quốc đã không còn là vấn đề. Việc cố định nitơ đã trở thành yếu tố sống còn để thực hiện chiến tranh.

Giải Nobel hóa học năm 1918 đã được trao cho Fritz Haber vì những đóng góp của ông về ammonia tổng hợp, là nền tảng cho việc tăng năng suất sản xuất phân bón, nhờ đó tăng cường được khả năng cung cấp lương thực, nông sản cho cả thế giới. Việc công bố giải thưởng này đã gây ra một làn sóng phản đối kịch liệt trên thế giới, bởi lẽ Fritz Haber đã tham gia vào chương trình phát triển khí độc của Đức trong Thế Chiến I. Vào tháng 4 năm 1915, những bình khí chlorine (Cl2) đã được xả trên một vùng rộng ba dặm tại Ypres, Vương quốc Bỉ. Năm ngàn người đã thiệt mạng và hơn mười ngàn người khác chịu những tổn hại phổi vô cùng nghiêm trọng do tiếp xúc với khí chlorine. Dưới sự lãnh đạo của Haber trong chương trình khí độc hóa học, nhiều hợp chất mới, bao gồm khí mù tạt và phosgene, đã được thử nghiệm và sử dụng. Cho dù cuối cùng các khí độc này không phải là yếu tố quyết định kết quả của cuộc chiến, nhưng trong mắt của rất nhiều những người sống cùng thời với Haber, những thành tựu rất quan trọng trước đó của ông - chủ yếu là trong nông nghiệp thế giới - không đủ để bù đắp cho những hậu quả khủng khiếp mà hàng ngàn người phải gánh chịu khi tiếp xúc với khí độc. Nhiều nhà khoa học cho rằng việc trao giải Nobel cho Haber trong những điều kiện như vậy là một trò hề lố bịch.

Bản thân Haber không nhận thấy nhiều khác biệt giữa chiến tranh thông thường và chiến tranh với khí độc, và ông đã cảm thấy khó chịu vì những cuộc tranh cãi này. Năm 1933, khi đang là giám đốc của Viện hóa lý và Điện hóa Kaiser Wilhelm đầy danh giá, ông được lệnh từ chính quyền Nazi ở Đức buộc phải cho thôi việc tất cả những nhân viên Do Thái trong viện. Ông đã từ chối, một hành động hết sức dũng cảm trong thời kỳ đó, và xin từ chức với một lá thư viết rằng, “Trong hơn bốn mươi năm, tôi đã chọn các cộng sự cho mình dựa vào sự thông minh và tính cách của họ, chứ không dựa vào ông bà của họ, và tôi sẽ không bao giờ, trong suốt phần đời còn lại của mình, thay đổi phương pháp lựa chọn mà tôi đánh giá cao này”.

Ngày nay, sản lượng ammonia trên toàn thế giới, vẫn luôn được sản xuất theo quy trình Haber, là khoảng 140 triệu tấn. Phần lớn trong số đó được dùng để sản xuất ammonium nitrate (NH4NO3), loại phân bón quan trọng bậc nhất trên thế giới. Một ứng dụng khác của ammonium nitrate là chất nổ trong hầm mỏ dưới dạng hỗn hợp chứa 95% ammonium nitrate và 5% dầu đốt. Phản ứng nổ của ammonium nitrate được diễn tả như sau:

Phản ứng này tạo thành oxy, nitơ và hơi nước. Khí oxy tạo thành sẽ tiếp tục oxy hóa dầu đốt trong hỗn hợp ban đầu, gia tăng năng lượng sinh ra của phản ứng nổ.

Ammonium nitrate được coi là một loại thuốc nổ an toàn khi xử lý đúng cách, nhưng nó cũng là nguyên nhân gây ra nhiều thảm họa khi không theo đúng chỉ dẫn an toàn, hoặc do những vụ đánh bom có chủ ý của các tổ chức khủng bố. Năm 1947, tại bến cảng thành phố Texas, bang Texas, ngọn lửa đã bùng lên trên một khoang tàu khi con tàu đang được chất hàng là các bao giấy chứa phân bón ammonium nitrate. Trong nỗ lực dập tắt ngọn lửa, các thủy thủ trên tàu đã đóng các cửa sập của khoang tàu lại, đáng tiếc là việc này đã tạo ra điều kiện nhiệt độ và áp suất cần để kích nổ ammonium nitrate. Hơn năm trăm người đã thiệt mạng trong vụ nổ thảm khốc sau đó. Các thảm họa gần đây liên quan đến bom ammonium nitrate được bọn khủng bố lên kế hoạch từ trước phải kể đến vụ đánh bom Trung tâm Thương mại Thế giới tại thành phố New York vào năm 1993 và vụ nổ Tòa Nhà Liên Bang Alfred P. Murrah tại thành phố Oklahoma vào năm 1995.

Một loại thuốc nổ được phát triển gần đây, pentaerythritol-tetranitrate (viết tắt là PETN), đáng tiếc cũng là lựa chọn của giới khủng bố, bởi lẽ nó được phép sử dụng một cách hợp pháp do có những tính chất vô cùng hữu ích. PETN có thể được trộn lẫn với cao su tạo thành thuốc nổ dẻo để ép khuôn thành bất cứ hình dạng mong muốn nào. Tên gọi hóa học của PETN có vẻ rất phức tạp, nhưng cấu trúc của nó lại khá đơn giản. PETN có cấu trúc hóa học tương tự nitroglycerin nhưng có đến năm nguyên tử carbon thay vì ba, và nhiều hơn một nhóm nitro.

Nitroglycerin (trái) và pentaerythritoltetranitrate (PETN) (phải). Các nhóm nitro được in đậm.

Dễ dàng kích nổ, nhạy với những chấn động, sức công phá rất mạnh, và có mùi nhẹ đến mức những con chó cảnh sát được huấn luyện cũng khó có thể phát hiện ra, PETN dường như là lựa chọn để đánh bom máy bay. Vụ đánh bom chiếc máy bay số hiệu 103 của hãng Pan Am trên bầu trời Lockerbie, Scotland, năm 1988 đã tạo nên tai tiếng cho PETN. Một vụ tai tiếng khác là sự cố “Người đánh bom giày (Shoebomber)” năm 2001, một hành khách trên chuyến bay khởi hành từ Paris của hãng American Airlines đã cố gắng kích nổ PETN được giấu trong đế giày của mình. Thảm họa được ngăn chặn nhờ vào những hành động dứt khoát của phi hành đoàn và các hành khách khác trên máy bay.

Vai trò của các phân tử nổ chứa nhóm nitro không chỉ bị giới hạn trong chiến tranh và khủng bố. Có bằng chứng cho thấy rằng sức công phá của diêm tiêu, lưu huỳnh và hỗn hợp than củi đã được tận dụng trong hầm mỏ tại phía bắc châu Âu từ đầu những năm 1600. Hầm Malpas (1679) trên Canal du Midi tại Pháp, kênh đào đầu tiên nối Đại Tây Dương với Địa Trung Hải, là một trong rất nhiều đường hầm xuyên kênh quan trọng được xây dựng với sự hỗ trợ của thuốc súng. Công trình Mont Cenis hay đường hầm xe lửa Fréjus xuyên qua dãy núi Alps ở Pháp, được xây dựng trong thời gian từ 1857 đến 1871 sử dụng lượng thuốc nổ lớn nhất trong thời gian đó, đã thay đổi toàn bộ diện mạo du lịch của châu Âu khi cho phép xuyên qua dễ dàng từ Pháp đến Italy. Thuốc nổ nitroglycerin lần đầu được ứng dụng để xây dựng đường hầm xe lửa Hoosac (1855-1866) tại North Adams bang Massachusetts. Nhiều thành tựu công nghệ chính đã được hoàn thành với sự hỗ trợ của dynamite: tuyến đường sắt Pacific Canada hoàn thành năm 1885 cho phép băng qua dãy núi đá Rockies; kênh đào Panama dài 80 km mở cửa năm 1914, và công trình phá hủy dãy đá ngầm nguy hiểm Ripple Rock gần bờ biển phía tây của Bắc Mỹ - cho đến nay vẫn là vụ nổ phi hạt nhân lớn nhất thế giới.

Vào năm 218 TCN, đại tướng của đế chế Carthage là Hannibal đã thực hiện cuộc hành quân qua dãy núi Alps với quân lực hùng hậu và bốn mươi chiến tượng để tấn công đế chế La Mã. Ông đã sử dụng phương pháp phá đá mở đường chuẩn trong thời kỳ đó nhưng cũng vô cùng chậm chạp: nung nóng đá bằng lửa, sau đó đổ nước lạnh lên để làm nứt đá. Nếu như Hannibal có chất nổ, ông đã có thể nhanh chóng mở được một lộ tuyến xuyên núi Alps cho phép ông đạt được chiến thắng tại Rome, và số phận của các quốc gia phía tây Địa Trung Hải có thể đã hoàn toàn khác biệt.

Từ khi Vasco da Gamma đánh bại các nhà cầm quyền bản xứ Calicut, đến Hernán Cortés và một nhóm binh sĩ Tây Ban Nha chinh phục đế chế Aztec, cho đến khi lữ đoàn kỵ binh vũ trang nhẹ của Anh quốc tràn vào nước Nga năm 1854 trong trận chiến Balaklava, các loại vũ khí dựa vào thuốc nổ đã chiếm ưu thế rõ ràng so với gươm, giáo và cung tên. Chủ nghĩa thực dân và đế quốc - những hệ thống đã định hình thế giới của chúng ta - phụ thuộc rất nhiều vào sức mạnh của vũ khí đạn pháo. Trong thời chiến và cả thời bình, từ phá hủy đến xây dựng, cho những điều tồi tệ hơn hoặc những điều tốt đẹp hơn, các phân tử chất nổ đã thay đổi sâu sắc nền văn minh nhân loại.