1915年4月22日
伊普雷，弗蘭德省，比利時
下午四點
雖然太陽已經西斜，但是溫暖的陽光依然努力穿過灰黑色的煙塵，照射到已經被炮火蹂躪了無數個日夜的大地上。昔日美麗安寧的古老小鎮已經不復存在，取而代之的是大片的廢墟與被毀壞的田園。英法聯軍與德軍在這裡已經隔河對峙了幾個月。雙方都拼盡全力動用各種武器想努力突破對方，然而卻都無法前進一步。
弗裡茨·哈柏上尉（Capitan Fritz Haber）靜靜地呆在戰壕裡，聽著身後德國炮兵將一發發炮彈傾瀉到7公里外的英法聯軍陣地上。從戰壕中望出去，哈柏看到隨著遠處爆發出的火光和煙塵，伊普雷的教堂與民宅在爆炸聲中變成了一堆堆的廢墟。作為德國化學界的翹楚和德皇威廉學院（Kaiser Wilhelm Institute）物理化學與電化學系主任，他清楚地知道接下來將會發生什麼。對於這場日後被他稱為“實驗”的人類第一次大規模毒氣戰，哈柏上尉躊躇滿志，甚至有點迫不及待了。
晚上6點，天空中颳起了東北風，一切都已經萬事俱備。德軍停止了炮擊。兩位日後的諾貝爾獎獲得者：弗裡茨·哈柏和詹姆斯·弗蘭克在另一位日後的諾貝爾獎獲得者奧拓·哈恩的幫助下，指揮戰壕中的的德軍士兵擰開了6000多個裝滿了氯氣鋼瓶的放氣閥。液態的氯氣“嗤嗤”地衝出噴口，在空氣中迅速氣化，形成了一道30米高的黃綠色的氯氣牆。在東北風的推動下，氯氣牆如同一個老者，邁著不緊不慢的步子向著七公里外的英法聯軍陣地走去。人類歷史上第一次大規模毒氣戰爆發了。
1914年爆發的第一次世界大戰，是人類歷史上第一次大範圍的全面戰爭，各種現代化武器粉墨登場開始在現代戰爭舞臺上嶄露頭角。化學武器作為一種全新形式的武器，在第一次世界大戰這個戰爭舞臺上甫一登場就吸引了無數的目光。雖然按照現在的眼光而言，第一次世界大戰期間出現的化學武器主要以致死性的毒氣為主，各方面的性質還並不是那麼盡如人意。但是這些毒氣本身具備的高毒害性，長時效性，大範圍殺傷等特點，加之交戰雙方對這些毒氣的戰場特性均不熟悉，無法及時為己方提供有效的防護措施。因此化學武器一開始對交戰雙方都造成了重大傷亡。在英國一位士兵詩人——威爾弗萊德·歐文（Wilfred Owen）在他的詩作《為國捐軀》（Dulce et decorum est）生動地描繪了英國士兵受到德軍毒氣攻擊時的慌亂和受害者的慘狀：
毒氣！毒氣！快 兄弟們！——大家開始狂亂地摸索
我終於及時帶上笨重的毒氣帽
但有人依然在呼喊中跌撞
彷彿落入了烈焰和石灰
透過模糊玻璃和厚厚的綠光帶來的昏暗
我看到他沉溺在綠色的海洋裡
像在夢中 在我無助的目光前
他衝向我 搖曳著 嗆著 沉溺著
從鋼瓶中施放出的氯氣飄向西線（照片拍攝於1918年）
在第一次世界大戰以前，西方各國在化學領域已經取得了長足的進步。湧現出了許多著名的化學家，例如前述的德國化學家弗裡茨·哈柏（Fritz Haber）和瓦爾特·能斯特（Walther Nernst），以及美國化學家吉爾伯特·路易斯（Gilbert Lewis）和歐文·蘭茂兒（Irving Langmuir）。然而，第一次世界大戰作為第一場工業化國家之間的戰爭，對科學，特別是化學的需要超過了以往任何一場戰爭。各個行業的科學家們，也主動或者被動地捲入到了這張空前的戰爭中去。迄今為止，第一次世界大戰是唯一一場將大規模化學攻擊作為標準戰術並以致命性毒氣作為作戰武器的國際戰爭。有趣的是，第一次世界大戰中運用的，或者戰後發展出來的毒氣，多少都與前面提到的這四位著名化學家有關。哈柏親自提議並指揮了伊普雷的氯氣攻擊，並且發展了另一種至今還赫赫有名的毒氣——芥子氣。能斯特則深入研究瞭如何將毒氣裝在在炮彈中以便於戰場使用。而路易斯則親自領導了美國遠征軍與同盟國軍隊中的毒氣防禦工作，在和德國人的毒氣攻防戰中做出了卓有成效的工作。
氯元素，位於元素週期表上的VIIA族。由於最外層電子數為七個，因此表現出極易從其他元素中奪取電子，從而形成一個化學穩定狀態的傾向。因此，氯的化學性質極為活潑。兩個氯原子透過一個單鍵（氯-氯）相連，形成一個氯氣分子。然而，氯-氯單鍵非常容易斷裂，因此氯氣中斷裂產生的氯原子具有高度活性，很容易和周圍的其他物質，特別是從有機大分子化合物中奪取電子。當沒有任何防護的人體組織長時間接觸到氯氣或者短時間接觸高濃度氯氣，裸露的面板和眼睛將會被嚴重燒傷。如果不慎吸入氯氣，高濃度氯氣將會嚴重燒傷呼吸系統，包括氣管與肺泡組織。被毀壞的肺泡在體液中無法完成氣體交換，使得受害者最終窒息身亡。換言之，受害人是“被自己的體液淹死的”。有受害士兵這樣形容肺部被氯氣破壞後的感覺“它（氯氣）在你的肺裡製造了一場洪水，你其實是被溺斃的，只不過是在陸地上被溺斃的。” “你會感覺到劇烈的頭疼，那種把你的大腦一分為二的巨疼，伴隨著可怕的乾渴（如果這個時候喝水，你會立刻死去）。肺部如同被利刃剖開那樣疼痛。從肺中和胃裡咳出大量的綠色的泡沫。最終你會陷入昏迷而死亡。” “受害者的面板會變成墨綠色和黃色。這種顏色很突出，並且受害者的眼睛變得呆滯。這種死亡方式真是殘忍”。
正是因為氯氣有著上述特性，因此一開始就是哈柏的得意之選。哈柏一直向德國軍方提議使用氯氣作為武器攻擊法國人。在哈柏看來，氯氣便於罐裝，且便於大規模工業生產。毒性也夠強，壓根就不是德軍以前弄得那些T-stoff之類的催淚彈小玩意兒可以比的。在哈柏看來，這些催淚彈對法國人簡直毫無用處。更重要的是氯氣比空氣重，這樣氯氣就可以沉降到戰壕裡殺傷那些躲在戰壕裡的法國士兵。至於不能裝載在炮彈裡扔到法國人的頭頂上或者是搞不到足夠的迫擊炮彈來裝載氯氣？在哈柏看來都不是什麼問題——直接把氯氣鋼瓶搬到前線戰壕擰開閥門就是了，往法軍陣地吹的東北風會把剩下的一切問題都搞定的。
第一次世界大戰期間各個國家發明的各種防毒面具
在伊普雷德法軍戰壕中的阿爾及利亞士兵看到了從德軍陣地上飄過來的黃綠色雲團，但是並不白這堵黃綠色的雲牆對他們意味著什麼。這些士兵對德國人的大炮，機槍和迫擊炮乃至T-stoff催淚彈之類的玩意兒已經習以為常了，因此並不覺得這團黃綠色雲牆有什麼特別之處。但是很快法軍士兵就嚐到了氯氣的致命殺傷力。戰壕中的法軍士兵非死即傷，剩下的則在驚恐中四散奔逃。在潰逃中被氯氣致盲的法軍士兵又成為了德國機槍手的絕好目標。待到氯氣散去以後，渾身上下僅用溼布蒙面的德軍毫不費力地將戰線向法軍縱深推進了四英里後才開始重新收攏部隊。勝利來得如此之快，以至於連哈柏本人都有點後悔沒有施放更多的氯氣。在戰後一次接受著名英國物理化學家哈羅德·哈特利（Sir Herald Hartley）爵士的訊問時，哈柏表示伊普雷的氯氣攻擊只不過是一次“試驗”。而且認為“那些缺乏想象力計程車兵們使用的氯氣太少了。”“如果德軍將領們能聽從他的建議預先準備更多部隊的話，（他）完全可以徹底粉碎同盟國部隊的防線。說不定（德國）早就迫使同盟國籤立城下之盟，結束戰爭了。”
伊普雷戰場上的慘狀
雖然伊普雷的氯氣攻擊是前無古人的第一次致命性毒氣攻擊。但是並不是第一次化學武器攻擊。德軍高層在戰爭的一開始就對對在戰爭中使用化學物質抱有著濃厚的興趣。早在戰爭初期，陸軍上校馬克思·馮·鮑爾就提出使用裝載有刺激性物質的炮彈使得敵軍喪失戰鬥力。這一想法得到了當時的德國陸軍總參謀長法爾肯海因的支援。在隨後召開的研究會上，能斯特對這一想法表示了極大的興趣和贊同。拜爾化學CEO卡爾·杜伊斯堡提議使用聯大茴香胺硫酸氯（dianisidine chlorosulfate），因為這種化學物可以人無法自控地打噴嚏。而且在拜爾的勒沃庫森工廠里正好有存貨，隨時可以拉上戰場進行測試。經過一番準備以後，德軍在戰爭爆發兩個月的1914年10月27日在沙拉佩斯完成了世界上第一次現代意義上的化學戰襲擊。不過，這次化學戰的效果讓德國人相當沮喪：發射出去的幾百公斤聯大茴香胺硫酸氯在空氣中很快就消散了，同盟國士兵甚至壓根就沒有注意到德國人在炮彈裡裝了化學藥劑。但是德國人並沒有放棄。到了1914年底，德國人就發展出了一種以甲基溴化苄為主，可以透過榴彈炮發射的改進版催淚彈。德國人稱之為T-Stoff，並且很快就在西線戰場上投入使用。 也正是在觀摩T-Stoff催淚彈的試射過程中，哈柏發現榴彈炮無法把足夠的氯氣送到同盟國士兵的頭頂上，使得他想到了直接把氯氣鋼瓶搬到前沿陣地上這一簡單粗暴而又十分有效的方法。當然也相當冒險——萬一鋼瓶被不長眼睛的法國炮彈打爆幾個或者老天爺臨時不開心刮個西南風什麼的，德國人可能會把三個諾貝爾獎獲得者都賠進去……
伊普雷的氯氣之戰戰直接摧垮了法軍的防線。德軍最高統帥部一下子就樂開了花。在德國人看來，毒氣這個東西幾乎就是上帝賜給他們的神器，讓德國人重新開始幻想能在短期內突破法國人的抵抗，快速結束戰爭。本著“宜將剩勇追窮寇”的精神，在1915年四月的那一週裡，德國人又在伊普雷連續吹了四次氯氣雲。同時又在德國國內大力開展對毒氣的研究。身為德皇威廉學院的總監，這個任務當仁不讓地落到了哈柏頭上。哈柏透過研究發現有毒的氣體雖然有很多種，但是由於受到具體的戰場環境的限制，能用做實戰的毒氣並不多。哈柏透過潛心研究，提出了一個綜合性的評價方案：透過綜合評價幾個不同因素來判斷某種有毒性氣體是否適合作為戰場使用的毒氣。哈柏首先發明瞭用於評價氣體毒性強度的指標——“哈柏常數”。“哈柏常數”是一定質量的毒氣與該質量下的毒氣致死時間的乘積。毒性氣體的哈柏常數越低，說明該種氣體的毒性越強。根據哈柏常數德國人還推斷出，少量毒氣長時間產生的作用與大量毒氣短時間產生的作用是一樣的。德國人透過一系列實驗確定氯氣在7000-7500mg/m3的哈柏常數下可以在1分鐘內致人死亡，但是在750mg/m3的哈柏常數下，則需要10分鐘才能殺死一個成年人。
1918年4月10日，在埃斯奈爾戰鬥中在貝蒂訥附近因遭到芥子氣攻擊而暫時失明的英軍第55師計程車兵
雖然哈柏常數直觀反映了毒氣的殺傷力，但是哈柏常數的高低卻不是用來選擇毒氣的唯一標準。有些氣體雖然毒性高，但是並不適合作為毒氣用於戰場。最典型的例子就是氫化氰（KCN）。雖然KCN的哈柏常數只有1000，遠低於氯氣的7500，但是由於氫化氰密度比空氣小，因此很容易在空氣中被風吹散而無法形成貼地的毒氣雲團。在篩選中，能斯特提出的光氣脫穎而出，成為了下一個有力的競爭者，並最後成為第一代毒氣中的佼佼者之一。
光氣，英文名Phosgene，又名碳醯氯，氧氯化碳，分子式COCl2。是John Davy在1812年透過一氧化碳與氯氣合成的，是一種極為重要的化工中間體和化學原料。之所以稱之為光氣是因為這個一開始發現這個合成反應時，反應需要光照提供能量。“透過光照產生的氣體，故名光氣”因而得名。在現代化工中，光氣的用途極為廣泛。光氣可以用來回收金屬，例如鉑，鈉，鈮等，光氣也是合成各種異氰酸酯的原料，而各種異氰酸酯則是下游更多種化工產物的原料，包括各種殺菌劑，殺蟲劑，各種高效能聚氨酯泡沫塑膠，彈力纖維，塗料，膠粘劑，合成革等等。透過光氣製取得到的碳酸酯是許多藥物的中間體以及照相凸版助劑。光氣還能用來合成四氯化碳和其他氯代烴以及各種芳香酸。化工產業中用量最大的增塑劑對苯二甲酸就可以透過光氣與甲苯反應獲得。光氣還可以用來製備聚碳酸酯（PC）。後者從戰鬥機座艙蓋到普通家用電腦上都能看到身影。但是除了這些用途以外，光氣劇毒的化學特性還讓它有了一個特別的用途——毒氣。
光氣的哈柏常數只有450，其毒性比氯氣強16倍。光氣的密度和氯氣差不多，這樣光氣就可以和氯氣一樣形成貼地的毒氣雲團，隨風飄動的時候可以和氯氣一樣灌到敵軍的戰壕中，炮彈坑和散兵坑中。但是光氣的沸點是攝氏7.5ºC，使得光氣並不適合在嚴冬的歐洲戰場使用。不過德國人想到了一個簡單的解決辦法：只要在光氣裡混合一點氯氣，光氣的低沸點問題就解決了。相比於氯氣，光氣還有一個更陰險的優勢，它不像氯氣那樣有刺激性。光氣只散發出一種腐爛乾草堆的味道，而乾草堆在廣袤的歐洲戰場上隨處可見。一絲絲新腐敗的乾草氣味並不會在第一時間引起對方的注意，使得對方忽略光氣這個隱形殺手的襲擊。等幾個小時以後，當光氣充滿肺部時，一切都已經來不及了。光氣會對肺組織造成和氯氣類似的損傷效果——受害者最終被自己的體液淹死。
一戰中正在施放毒氣
在哈柏忙著測試各種氣體是否適合作為毒氣使用時，能斯特則在位於柏林的實驗室忙著改進迫擊炮以適合作為毒氣的載體。畢竟把鋼瓶搬上前線是一件危險而麻煩的事情：鋼瓶又大又重，不利於在前沿陣地快速機動。用人力搬運則又是耗時費力且容易出現意外。更重要的是耗時越長就越容易被敵方發覺作戰意圖。而且透過鋼瓶釋放毒氣只能同樣對敵方的前沿陣地起到作用。作戰距離越長，毒氣稀釋得就越厲害，殺傷力也就越小。因此很難透過在前沿陣地釋放毒氣對敵軍的縱深陣地發動襲擊。另外，在前線使用鋼瓶釋放毒氣還要看老天爺的臉色——風向和風速會直接決定毒氣的攻擊效果。如果風速過大，會直接吹散毒氣，使得攻擊失敗。如果風向突然變化，那麼毒氣的施放方就面臨著己方的側翼部隊被毒氣毒到的危險。在極端情況下，如果風向直接轉向180度，毒氣會直接吹到毒氣施放者的腦袋上，那就真的偷雞不成蝕把米了。用炮彈作為毒氣載體就好得多：無論是從後方運輸到前線還是在前線機動都很方便。便於隱蔽發動攻擊。炮彈可以透過火炮快速發射到敵軍縱深，便於對敵軍縱深發動化學戰打擊，而且因為打擊目標距離己方發射陣地遠，不用擔心風向改變而讓己方部隊受到毒氣侵害的問題。但是德國人透過實驗發現。普通火炮並不適合作為毒氣載體。因為普通火炮雖然射程大，但是每一發炮彈的有效載荷卻很小，換言之一發炮彈裝不下多少毒氣。並且由於彈頭速度較快，許多彈頭往往在會鑽入土地以後才會爆炸。覆蓋著彈頭的鬆散土壤，阻礙了毒氣的釋放。而迫擊炮則是一個理想的載體。迫擊炮的大口徑炮彈有足夠的空間裝載毒氣；迫擊炮彈近乎垂直的下落曲線可以將彈頭中的毒氣完全扔到敵軍的頭上；而且迫擊炮的末段低速度非常適合釋放彈頭中的毒氣。
在實驗室製造了無數次爆炸以後，能斯特終於製造出了適合投擲毒氣的迫擊炮。這種迫擊炮在1915年七月三十日和八月一日在北方戰線首次用於投擲催淚彈。但是在同年的三月二十五日，哈柏已經測試了這種迫擊炮投擲光氣彈的試驗。測試中使用的是光氣與氯氣的混合氣體。能斯特親自在試驗場調研了迫擊炮的投擲效果。然而能斯特費盡心思研究出來的迫擊炮最終也沒有在戰場上發揮作用。
光氣化學分子式。這種毒氣在一戰期間生產了10萬噸之巨
到了1917年，哈柏又發展了一種更致命的毒氣。時至今日，這種毒氣依然牢牢佔據著化學武器庫的頭號位置。這種毒氣是如此有名，以至於二氯二乙硫醚這個本名幾乎沒人記住，而它的另一個名字卻讓人為之色變。這種毒氣就是赫赫有名的芥子氣（Mustard gas）。
芥子氣早在1822年就被德國人發現，但是一直到1886年才被是德國人梅耶（Mayer）完成人工合成的。芥子氣的分子式是C4H8SCl2。在常溫下，純淨的芥子氣是一種無色無味的油狀液體。因為會揮發出芥末或類似大蒜的味道，因此得到了一個芥子氣的別名。芥子氣難溶於水，但是易溶於有機溶劑，在常溫下溶解得很慢。因此芥子氣在深埋地下50多年以後，毒性依然不減當年。在1916年剛開始測試芥子氣的時候，哈柏一開始並不認為芥子氣是一種有效的毒氣：原因在於他認為芥子氣的毒性太低了。但是事實的發展卻遠遠超出了哈柏的預期。
芥子氣不像氯氣或者光氣那樣在常溫下形成毒氣雲隨風擴散，因此看上去似乎並不太容易在短時間內大範圍散佈，但是在其他方面芥子氣卻有其獨特的優點。和氯氣或者光氣那樣只對呼吸系統起作用不同，芥子氣很容易被面板吸收：芥子氣油滴只要3-5分鐘就可以滲入面板，15-20分鐘以後可以被面板完全吸收，而且芥子氣還可以很快滲透服裝，食物以及其他一切表面多孔疏鬆物質。人一旦接觸這類被芥子氣汙染了的物質也會中毒。如果透過食用被汙染的食物還會造成內臟損傷以及內出血。芥子氣不僅可以造成面板灼傷，眼睛接觸芥子氣蒸汽後還會造成角膜損傷以致失明。在當時的醫療條件下，這些對中毒計程車兵來說都是致命的。這些士兵往往是被綁在病床上，在芥子氣造成的痛苦中等待死神的降臨。更糟糕的是受到芥子氣毒害計程車兵往往要拖延四周到五週的時間才會死亡。這樣一來又給敵方的衛勤系統帶來了沉重的負擔。為了防止芥子氣的毒害，士兵需要在作戰中把自己渾身上下都包裹起來才能免於遭到芥子氣的攻擊，這樣就變相增加了敵軍作戰與行動的困難。芥子氣另一個優勢是因為它不是氯氣或者光氣那種容易消散的氣體而是液體，因此真正撒佈的時候，芥子氣是以氣溶膠形式散佈到戰場的。再加上芥子氣不易降解，毒性持久。因此沾染了芥子氣的草原，植被，地表，房屋等等都會被長時間染毒。芥子氣的用途也比光氣或者氯氣來的多：它可以用來阻止敵軍佔領某一區域，也可以用用來保護己方進攻步兵的側翼，或者用在撤退過程中撒佈以遲滯敵軍追擊，掩護撤退。
二戰中日軍使用芥子氣後中國軍民死傷的慘狀。日軍曾在中國戰場使用了高達12000噸的芥子氣
至今，芥子氣依然是現役化學戰劑中最致命的的毒氣之一。芥子氣可以引起面板中毒，眼損傷與呼吸道損傷。芥子氣的面板中毒過程可以分為五個階段。分別為潛伏期，紅斑期，水泡期，潰瘍期與癒合期。芥子氣經面板或者呼吸道吸收侵入人體後。可以在人體內潛伏一段時間，一般為2-12小時。隨後接觸芥子氣的區域變成粉紅色併發生輕度水腫。用手壓粉紅色區域會出現白色壓痕，但是並不十分疼痛。粉紅色紅斑與周圍健康面板有明顯的界限。這一時期稱為紅斑期。再過12-24小時後，紅斑部位會出現小水泡，呈環狀排布。此時成為水泡期。環狀排布的小水泡逐漸融合成為大水泡，水泡液體淡黃，透明，看不到明顯出血點。最後水泡破裂形成潰瘍，成為潰瘍期。最終潰瘍癒合，但是會留下色素沉澱。眼睛接觸芥子氣蒸氣後會造成眼部受傷，表現為怕光，流淚，疼痛，有異物感，眼屎增多。進而出現結膜炎與角膜炎，中毒嚴重者可以導致失明。吸入芥子氣後，中毒者會出現不同程度的流鼻涕，喉幹，聲音嘶啞，胸骨後疼痛，症狀類似於重感冒或支氣管炎症狀。但是往往伴有全身吸收中毒表現。支氣管被芥子氣傷害後，內膜潰爛發膿，廣泛壞死以後形成偽膜（由壞死組織，纖維蛋白和炎症滲出物構成）。偽膜阻塞引起呼吸障礙，嚴重者會造成窒息。嚴重呼吸道中毒者有兩個死亡高峰。第一個出現在中毒後3-4天，主要原因是嚴重全身吸收中毒或窒息。另一個死亡高峰主要出現在中毒後9-10天，主要由於肺部繼發感染或心肺功能障礙導致死亡。
除了呼吸和接觸中毒外，芥子氣還會導致消化道損傷。這個是芥子氣不同於光氣或者氯氣地方。消化道損傷的主要因誤食染毒水或食物而引起。嚴重的面板染毒及呼吸道吸收中毒也能夠造成消化道損傷。透過食用汙染食物造成的中毒主要損傷上消化道，以胃為主。透過吸收中毒主要損傷下消化道，以小腸為主。食物中毒潛伏期短（多在15分鐘至1小時），損傷重，損傷程度與進入胃內毒劑量及食物充盈情況等有關。初期症狀與普遍急性胃炎、胃腸炎相似。潛伏期後很快出現流涎，上腹部劇痛並擴及全腹。噁心嘔吐，厭食、腹瀉及柏油樣便。如未及時急救常引起出血性胃炎、胃潰瘍、甚至胃穿孔。口腔粘膜廣泛充血水腫、起皰和潰瘍，並出現吞嚥困難和言語障礙。中毒嚴重者全身虛弱、淡漠、心搏過速、呼吸急促、痙攣、昏迷等全身症狀。接觸芥子氣到一定程度後，會發生由於吸收導致的全身中毒。全身中毒主要表現為早期出現噁心，嘔吐，伴有頭疼，頭暈，煩躁不安。隨之而來的是情緒低落，抑鬱寡言，反應遲鈍。有些中毒者會在夜間驚叫和舞蹈樣動作。中毒後長時間內呈抑制狀態，傷員靜靜地躺著，不願參與周圍活動。全身中毒嚴重者，會發生休克症狀，極端嚴重者會發生陣發性驚覺，譫妄和神志不清。最後出現全身肌肉鬆弛，麻痺，最終死亡。
雖然芥子氣的毒性如此巨大，但是其的具體毒害機理卻一直不太清楚。目前一般認為芥子氣在進入人體後，透過細胞膜進入細胞內，與核酸，各種蛋白大分子及酶結合後，透過消化作用破壞這些分子。導致正常的生理過程受到破壞，最終導致細胞死亡。芥子氣可以烴烷化DNA上的鳥嘌呤鹼基，使得鳥嘌呤從DNA上脫落。無嘌呤DNA雙鏈發生斷裂，由此導致DNA模板損傷引起DNA複製發生障礙，最終導致細胞有絲分裂被抑制，造成細胞死亡。除此之外，脫嘌呤化後的DNA產生多個空隙，使得在DNA雙鏈複製過程或mRNA轉錄中摻入錯誤鹼基，結果造成基因發生突變或產生突變蛋白，最終產生癌變細胞或者畸變細胞。
日軍殘留在中國的芥子氣儲存罐
除了損傷DNA之外，芥子氣還透過直接烴化蛋白多肽鏈中的氨基酸殘基破壞蛋白的結構與功能。芥子氣可以結合到細胞膜上與細胞骨架蛋白上，透過對這些蛋白的變性作用，使得這些蛋白喪失功能。值得一提的是，上述對蛋白的破壞也直接作用在細胞中的各種酶上。目前已知芥子氣可以一致細胞中多達三十多種酶，其中不乏己糖磷酸激酶等這種在糖酵解過程中的關鍵性限制酶。透過抑制細胞中的蛋白和酶，芥子氣直接破壞了正常的細胞生理過程，最終導致細胞的死亡和崩解。而且這一破壞過程是隨著時間的推進而逐步發展的。因此也就解釋了芥子氣的毒性作用有一個在光氣或者氯氣中毒上不存在的潛伏期。
到戰爭結束的時候，芥子氣造成的傷害在所有的化學戰劑中獨佔鰲頭。雖然整個戰爭中由於化學毒劑造成的傷亡約佔總戰傷人數的30%，但是在約18萬6千名因化戰劑導致傷亡的英國士兵中，因芥子氣導致的傷亡佔到了總人數的80%。考慮到英國士兵無論在訓練和防護裝備方面在所有的參戰國中都屬於一流水平。這樣的傷亡數字是非常驚人的。從所有參戰國家的傷亡數字統計上看，整個一戰中，因為化學戰劑導致的傷亡 人數為130萬，其中由於芥子氣導致的傷亡人數佔130萬種的88.7%。雖然芥子氣的直接死亡率並不算太高，只有大約1~3%，但是這並不影響到它得到“戰場毒劑之王”的稱號。
1917年6月，德國人首次在比利時的伊普雷地區使用芥子氣攻擊了同盟國部隊。德國人不知道為啥很看重伊普雷這個地方，第一次氯氣和第一次芥子氣攻擊都選擇了這裡。真不知道這個選擇是不是體現了德國人的嚴謹……德國人這次希望籍此突破同盟國軍隊的防線。但是這次的結果卻又讓德國人失望了。更糟糕的是，英國人在戰鬥中撿到了一發沒有爆炸的芥子氣炮彈，並且在三天之內就鑑定出了裡面裝的是啥玩意兒。但是這個訊息對哈柏來說卻是在意料之中。雖然哈柏是氯氣的極力推動者，但是對使用芥子氣，哈柏卻極力反對。他對當時的陸軍副總參謀長埃裡希·魯登道夫的建議是“如果將軍有信心在六個月之內打贏戰爭，否則絕對不要使用芥子氣”。為什麼哈柏在這個時候不願意繼續鼓吹使用化學武器了呢？原因很簡單，因為哈柏已經意識到在德國人使用了芥子氣以後，過不了多久同盟國部隊也會對德國人使用芥子氣。但是德國人對芥子氣並沒有對應的防護裝置和防護。事實也的確如此。當同盟國發現德國人開始在戰場上使用了芥子氣以後，立刻就著手開始安排在1918年開始大規模生產芥子氣。而且由於美國同行的介入，同盟國還發展出了新技術合成芥子氣。到1918年戰爭結束的時候，美國人的新技術一天可以合成40噸芥子氣，而德國人還依然停留在一天只能合成12噸的狀態。英法盟國還發展了新的裝甲車，準備用它在1919年在戰場上對德國人大規模噴灑芥子氣。因為戰爭在1918年底結束了，德國人沒有能享受到這個待遇。
“利文斯”投擲器的組成，包括起爆器（725）、導線（730）、毒氣彈（750）、炮口蓋（710）、支撐架（720）、拋射管（705）、發射藥（755）、測角器（775）、電路測量裝置（745）、摩擦帶（735）、鋼帶（765-B）、佈線帶（740）、底座（715）以及工具（765-A-C）
在德國人忙著使用和發展各種化學毒劑的時候，同盟國也沒閒著。在戰場上，“你做了初一，我便做得了十五”。同盟國很快對德國人的毒氣襲擊做出了反擊。在德國人第一次用了氯氣半年以後的1915年9月24日，英國人在法國的盧斯第一次對德國人發動了氯氣襲擊。德國人面對英國人的襲擊猝不及防，雖然手邊已經有防毒面具，但是面對高濃度的氯氣還是沒法防禦，只能放棄陣地匆忙逃跑。法國人使用化學炮彈和催淚彈對德軍發動了攻擊。然而相對於德軍的周密準備，英法兩國的準備工作就相對顯得粗糙了許多。在盧斯的氯氣攻擊中，英國人自己就遭受了超過2500人的傷亡。在德國人使用了芥子氣後，法國人很快就在同年6月18號在馬恩河突出部用芥子氣攻擊了德國人的陣地。
除了以牙還牙的還擊，英國人和法國人在化學武器裝備上的研製也沒停下腳步。在1917年4月，一種名為利文斯投擲器（Livens projector）的迫擊炮在英軍中開始服役。在法國北部的阿拉斯（Arras），英國人用這種八英寸口徑迫擊炮向德國人的腦袋上傾瀉了上百發裝有化學戰劑的炮彈。利文斯投擲器是英國人在一戰中最有效的用於化學戰的武器。這種迫擊炮可以向1200米到1900米的距離範圍內任何目標集中發射炮彈，並可以在目標附近將毒氣提高到殺傷濃度而不用考慮天氣等因素的影響。一直到1918年8月份，德國人才發展出與之類似的武器。而這個時候，距離德國人投降已經不足三個月了。
伊普雷的毒氣戰只是掀開了人類歷史上化學戰的第一頁，隨著戰事的進展，同盟國和協約國的化學攻防戰越來越變得如同國際象棋那樣的對抗：領先的一方先使用，對應的一方很快發展出防禦性的手段來中和這種技術優勢。被中和了領先優勢的一方再度發展出新的手段，然後對應方再發展出新的抗衡手段。這種攻防戰在德國人和英法聯軍之間週而復始地上演。在伊普雷遭到毒氣襲擊以後，雖然英國人尚不知道德國人使用了何種有毒氣體，但是很快為部隊配發了一種被士兵們稱為“muslin紗布”（piece of muslin）的原始防毒面具。透過把這塊布圍在口鼻部來防止毒氣的侵襲。很快，英國人鑑定出德國人使用的是氯氣。隨後就透過在兩層muslin紗布中夾入浸滿了碳酸鈉和硫代硫酸鈉的藥棉從而形成了一種更有效的防毒面具。隨後很快又出現了包裹有兩層藥棉的muslin紗布製作的防毒口罩，這種口罩可以系在臉上，看上去如同蒙面大盜一般。英軍士兵戲稱為黑紗呼吸器（black veil respirator）。到了1915年的7月份，英國人發展出了一種新的，被稱為Pimlico頭盔的防毒面具。它是一個用羊毛織成的，浸潤了硫代硫酸鈉，碳酸鈉和甘油的法蘭絨頭罩。這種頭罩可以把士兵的整個頭部全包裹起來，士兵透過雲母製成的觀察窗來觀察周圍環境。雖然實踐證明這種羊毛面具可以有效地對付氯氣，但是前方的英法盟軍士兵反映這種防毒頭盔難以穿戴，並且穿著也非常不舒服，因而在一定程度上影響著這種防毒面具的防毒效能。但是透過不同的化學藥劑浸潤以後，這種讓人不怎麼舒服的頭盔可以變成有效抵禦不同種類毒氣的利器。在得到了德國人準備於1915年12月19日在佛蘭德斯（Flanders）使用光氣的情報以後，英國人大量配發了這種用苯酚鈉浸泡的防毒面具，並且在戰鬥中有效地抵禦了德國人的進攻。
英軍士兵使用的黑紗呼吸器
到了1916年4月到10月間，進過幾經改進與測試以後，英國人終於推出了小盒子呼吸器（small box Respirator）防毒面具。這種防毒面具可以有效抵禦一戰中使用的絕大部分毒氣。而且透過改變防毒面具中的有效成分，這種防毒面具還可以適應抵抗新型毒氣——例如芥子氣。小盒子呼吸器成為了現代各種防毒面具的鼻祖。無論用料和設計如何改進，防毒面具的基本三要素：面罩，橡膠通氣管和防毒罐已經基本具備。防毒罐中通常裝有活性炭顆粒（約60%），鹼石灰-高錳酸鉀顆粒（約40%）。顆粒的大小大約在8-14目之間以提供良好的吸收與過濾能力。美國人在英國人的基礎上設計出了效能更優良的防毒面具並且大量生產以提供給美國遠征軍（A.E.F.）。
除了英國人與美國人以外，法國人和德國人在防毒面具的研究上也沒停下腳步。法國人發展出了一種由多層織物構成的防毒口罩，其中最內層由含有鎳鹽用以抵禦氫氰酸，並貼有一層浸泡了烏洛托品的棉墊用以抵禦光氣。這種口罩沒有專門用於呼氣的單向閥，因此又悶又熱，不便使用。法國人還發展了另一種帶濾毒罐的呼吸器，但是需要背在背上。濾毒罐透過一根長長的橡皮管與面罩相連。但是這根橡皮軟管在使用中很容易被扯斷。從1915年9月到1918年9月，法國人總共製造了大約12,400,000個各種型別的防毒面具。德國人則是直接把一個圓形濾毒罐直接安裝在面具上。濾毒罐裡有三層不同的化學藥品，最外層是浸泡有碳酸氫鈉的泥土和極細的活性碳組成，中間層是一層純活性炭，最裡層是浸泡有烏洛托品的浮石。德國人的防毒罐比英國人的輕，容量也小得多，因此需要經常更換才能保證防毒能力。而且不像美國人和英國人使用橡膠製作面罩，德國人的防毒面罩是用皮革製成的，遇到水以後會變硬並出現裂紋。更為嚴重的是，到了戰爭後期，德國面臨著物資嚴重匱乏的問題，使得德國人無力維持與更新防毒面具的設計和製造。
除了防毒面具以外，各種防護用具也不斷被設計出來。除了人用的防毒面具以外，交戰雙方都設計了給馬使用的防毒面具，以及為軍犬和軍用信鴿設計的防毒面具也投入了戰場。為了抵禦芥子氣的傷害，美國人發明了兩種全身防護服，一種是輕型的，便於作戰中使用，防護服可以透過溼氣和空氣，同時可以吸收芥子氣蒸汽。另一種是重型防護服，可以用在芥子氣生產環境中。除了這些防護裝備以外，美國人還設計了包括用在入口處的防毒毛毯，用於防護芥子氣燒傷的油膏，毒氣報警訊號，用於吹散戰壕中毒氣的手搖風扇，以及為中毒人員使用的氧氣呼吸器等防化裝備。
美軍仿製的“小盒子”防毒面具
防毒護具的出現和發展只是毒氣攻防戰中的一個縮影。防毒面具出現以後，德國與同盟國的化學攻防戰從單純的毒氣種類升級演化到了毒氣戰術的攻防變化。德國人的毒氣一路升級，從一開始的氯氣，隨後變成了光氣，緊接著德國人使用了甲苄基溴，再接著是雙光氣（氯甲酸三氯甲酯）和三氯硝基甲烷，德國人還嘗試了二苯胺氯胂，最後升級到了芥子氣。德國人的化學戰術也在不斷更新：首先是嘗試提高單次攻擊的濃度；選擇在夜晚發動化學戰攻擊，尤其是在日落後兩小時或者日出前兩小時的黃金時間發動攻擊。在夜間發動毒氣攻擊有兩個好處，第一是夜間風向更穩定，另一點是黑夜掩護了毒氣的顏色，使得英法聯軍軍很難透過觀察毒氣雲的顏色而做出防禦措施。作為對應手段，英法聯軍只能透過監聽德國人釋放毒氣時的嘶嘶聲和嗅到毒氣的味道來做出反應；另外德國人還嘗試在戰鬥中增加毒氣的攻擊波次，從一開始的單次攻擊演變為多波次攻擊。例如在1916年對Hulluch的攻擊中，英軍在第一輪毒氣過後覺得德國人的毒氣攻擊已經結束了，部分部隊就脫去了防毒面具，結果德國人轉身發動了第二輪毒氣攻擊，對英國人造成了嚴重傷亡。德國人還嘗試使用消聲器降低毒氣釋放時的嘶嘶聲，以免引起英法聯軍的注意。除此之外，德國人還透過將毒氣與煙霧混合等方式，使得英法聯軍難以判斷毒氣攻擊的開始時間。在同盟國軍普及了防毒面具以後，德國人想出了將二苯胺氯胂與致命毒氣聯用的方法。二苯胺氯胂是一種不致命的，但是會導致人員流淚的催淚性氣體，其在空氣中形成一種活性碳無法吸附的煙塵，從而可以穿透濾毒罐的過濾層。當作戰人員因為受不了這種催淚性毒氣而摘下防毒面具時，緊隨的光氣等致命毒氣就可以對英美聯軍產生有效殺傷。在發現德軍使用了這種新戰術以後，英美科學家很快就發明了一種應急的對付辦法：用一層過濾布將整個濾毒罐包起來，濾布可以過濾掉二苯胺氯胂煙塵而使得它不進入防毒面具中。隨後美國人發明了Connell防毒面具，這種防毒面具有一個改進型的濾毒罐，透過加入兩層過濾紙徹底除掉了二苯胺氯胂煙塵。美國人評價Connell防毒面具是戰爭中的一個偉大發明，這種完美的防毒面具很快就製造了二十萬個被送到了西線戰場上。自此以後德國人在毒氣上就再也沒有佔到什麼便宜。
面對毒氣，光有防護用具是遠遠不夠的，有了有效的防毒面具，還得配以完善的訓練才能最大發揮對化學武器的防護作用。對前線士兵正確使用防護用具也逐漸成為交戰雙方的重點訓練內容之一。在前線計程車兵，無論他在做什麼，手裡拿著什麼東西，只要聽到一聲警報， 就要立刻把近在咫尺的防毒面具帶上。戰場統計表明，在防毒面具，哪怕是最原始的防毒面具在投入戰場以後，毒氣造成的傷亡主要原因就變成由於因為訓練不足導致在遇到毒氣時驚慌失措而沒有及時帶上防毒面具而造成的。美國人透過研究認為，在野戰狀態下一名訓練有素計程車兵應當在6秒鐘之內戴上防毒面具並調整到最佳防護位置。而這樣的快速準確使用，在沒有相當的訓練下是無法完成的。因此，無論是在戰壕中計程車兵還是後備役官兵，正確使用防毒面具就成為必要的訓練之一。戰場實際也證明了這樣的訓練是有效的，不斷更新的防毒面具加以有效的防護訓練，使得毒氣造成死亡率從伊普雷氯氣攻擊時的35%下降到18%，在使用毒氣炮彈開始使用以後，死亡率反而降到了6%。到最後芥子氣上場時，死亡率卻最終降到了3.5%以下。事實證明，有效的防護和訓練是抵禦毒氣攻擊的最有效的手段。
用於投擲毒氣彈的迫擊炮
毒氣的進攻與防禦，為了打破防禦而採用新的進攻手段，為了防禦新的毒氣進攻而開發出新的防禦措施。這樣的攻防轉換貫穿了整個第一次世界大戰。但是在這樣的攻守變換背後，是各個交戰國在工業，科研，人力，組織上的大比拼。各個參戰國都組織了化學制造公司，大學，國家實驗室以及無數的頂尖科學家和產業工人，形成了完善的科研和製造體系，參與到化學武器的研究，開發，製造，防護，訓練等各個方面。可以說，沒有現代化的，系統的工業生產體系與科研體系，是沒有可能完成這樣大規模化學武器攻防戰的。德國作為當時的化學工業第一大國，以哈柏和能斯特為首，組織了德皇威廉學院和拜爾，巴斯夫，卡勒（Kalle），梅斯特·盧修斯·布魯寧（Meinster，Lucius&Brüning Co.）等科研機構與化學公司開展了大規模的研究工作。在最高峰時段，僅在哈柏手下就有2000多人參與和化學武器相關的研究工作，其中有150人擁有與化學有關的學位。英國也不甘示弱，組織了包括牛津，劍橋，倫敦大學學院，陸軍醫學院以及李斯特學院等科研機構開展對化學戰的各個方面進行研究。法國人則更為直接：在伊普雷遭到氯氣打擊以後，法國立刻徵召了巴斯德研究所，法國藥學院，索邦大學，法蘭西學院，法國藝術與貿易學院，法國醫學院等16個科研單位形成聯合研究體，並以巴黎大學為首展開相關的指導與協調工作，開展對毒氣戰的各項研究工作。但是在整個一戰中，憑藉著優勢的科研人力和強大的工業能力，遠在大洋另一端的美國後來居上，在化學戰研究中後來居上，最終牢牢佔據了研究的制高點，並最終將這種戰略優勢轉化為實實在在的戰場優勢，最終幫助同盟國軍隊在化學戰中擊敗了協約國。
美國在戰前對化學武器的研究並不多。甚至可以說在參戰前對發生在歐洲戰場上的化學戰都幾乎一無所知。當然，這裡面有法國人和英國人的功勞——它們故意對美國人模糊了德國人的毒氣戰效果。原因在於英法兩國都不想因為這個把美國人嚇跑了。乃至到了1917年春天，就在美國人即將參戰的時候，同盟國都對美國人完全封鎖了化學戰的任何訊息。當然，按照當時英國戰爭部長助理的話來說，此舉是“為了防止在美國國民與士兵中引發不必要的恐慌”。一直到了1917年2月，也就是美國參戰前兩個月，美國礦務局局長馮·H·曼寧才向當時國家研究委員會的軍事委員會提供諮詢服務，從而開啟了美國對毒氣戰的研究，並開始著手對防毒面具進行研究。當美國遠征軍進入到歐洲戰場的時候，幾乎沒有人知道如何使用防毒面具，也沒有人熟悉如何進行化學戰對抗。一直到了1917年八月，美國遠征軍才指派阿莫斯·弗萊斯（Amos Fries）成立毒氣防護研究中心（Gas Service）。 但是隨著美國遠征軍在1918年春季遭到德國人的毒氣攻擊並出現了重大傷亡以後，美國政府迅速做出了調整，隨即在1918年6月28日釋出總統令，成立了新的美國陸軍化學戰研究中心（Chemical Warfare Service，CWS ）取代了毒氣防護研究中心。新的化學戰研究中心以少將威廉姆· L·西博爾特（William L Sibert）為主任，下設毒氣進攻部，毒氣防禦部，後勤部，開發部，研究部和歐洲戰場部。其中歐洲戰場部又分為進攻，防禦與供應三個部，負責整個美國遠征軍的化學戰事物。在新的化學戰研究中心推動下，美國迅速整合了學術界，工業界和軍隊的研究力量，開始對化學戰進行全方位的研究。學術界的研究力量集合了哈佛大學，耶魯大學，麻省理工，約翰·霍普金斯醫學院等著名院校對化學戰的原料性質與救護手段進行研究。等到一戰結束時，整個化學戰研究中心集中了274名軍人，2353位研究人員，以及13000多位工作人員參與工作。而工業界則集中了大量著名的公司，例如通用化學公司提供了鹼石灰，西蒙斯硬體公司製造了防毒面具用的揹包。古德里奇和固特異橡膠公司研製了呼吸面罩，美國製罐公司則負責濾毒罐的製造，總共約有25700名工人參與為毒氣防護部門提供各種原料。然而到了1917年11月份，美國政府發現常規的商業設施沒法滿足製造防毒面具的要求，因此經過多方協調，於1917年11月20日正式決定在長島建立一個由美國政府直接管理執行的防毒面具工廠，並於同年12月5日指派當時的芝加哥罐裝公司總裁理查德森（R. R. Richardson）擔任總經理。一開始，位於長島的防毒面具工廠只有一幢五層樓的廠房，並於1918年1月1日正式開工。但是很快工廠規模就成倍擴大，各種為防毒面具提供部件的廠房也很快建造完成。到了1918年8月15日全部設施建成時，整個廠房面積已經從一開始的157,000擴充套件到了1,000,000英尺。從事防毒面具製造的工人也從最初的10人猛增到11月份12350人。從3月4日製造出第一船防毒面具開始，到同年11月26日，防毒面具工廠一共製造了3146413個防毒面具。在10月26日，防毒面具日單產43926個，創造了歷史最高紀錄。到了1918年8月，防毒面具工廠轉產新型K. T. 防毒面具，截至到停戰時，總共生產了31614925個防毒面具提供到歐洲戰場給遠征軍和英法盟軍使用。
一戰中被芥子氣灼傷的一名加拿大士兵
在獲得了足夠的防護裝置的同時，對遠征軍的化學戰防護訓練也在如火如荼地展開。雖然當時在美軍中主流意見都認為美國只要接受前線的情況反饋，然後再本土的研究中心研究出對應之策就行了。但是弗萊斯力排眾議，堅持在法國建立一個實驗室，以對德國人的化學戰進攻快速做出反應。隨後美國遠征軍在法國巴黎附近的皮託，建立了一個專門負責化學戰防禦的實驗室。事實證明，弗萊德這一決定是正確的。有了位於法國的這個毒氣防禦實驗室，美國人不僅可以快速做出反應，而且這裡也成為培養遠征軍中化學防護人員的基地。化學家吉爾伯特·路易斯是實驗室的總負責人。與此同時，隨後不久，路易斯被任命為CWS的化學防禦部負責人，負責一切與化學防禦戰有關的工作，特別是負責訓練美軍士兵如何使用防毒面具，並且在敵方發動化學戰時如何保護自己。1918年五月，美國遠征軍在每支作戰部隊中建立了毒氣防護官，負責訓練士兵使用防毒面具與掩體，檢查防護裝備，瞭解敵方的化學戰戰術與原料等工作。而這些士官都是從路易斯組建的學校中培訓出來的。 隨著路易斯培養出來的防化軍官在遠征軍中擔負起關鍵性的任務，美國遠征軍因毒氣造成的戰傷率出現了顯著下降。
1918年11月，協約國與同盟國簽訂了停戰協議，協約國宣佈投降。雙方你來我往的毒氣戰也隨著停戰協議的簽署而畫上了句號。雖然一戰中的毒氣戰造成了大量的人員傷亡，但是事實證明毒氣戰並不是一種有效的武器。正如哈柏在戰後評論的那樣“毒氣並沒有解開陣地戰的死結。毒氣戰傷只佔到了一戰中所有戰傷的5%，並且當德國發展出了新的攻擊手段以後，同盟國總能找到對應之道。”在二十年後的第二次世界大戰期間，交戰國之間都沒有選擇對對方發動大規模化學戰，也許正是基於一戰中的經歷和教訓。
頭戴防毒面具的一戰德軍機槍組，副射手正艱難地投擲手榴彈
雖然大規模的化學戰已經成為歷史，但是化學武器卻作為核化生三大大規模殺傷性武器之一，一直保留在世界主要工業大國和軍事大國的軍火庫中。隨著聯合國《禁止化學武器公約》的簽署，世界各主要國家已經開始銷燬儲存的化學武器。但是相關的研究工作卻沒有停止。尤其隨著恐怖主義的滋生與蔓延以及地區動盪，使用非法獲得的軍用制式化學武器發動恐怖襲擊的可能性正在增大。第一次世界大戰中釋放出來的這個惡魔，依然盤旋在人類的上空。