Eduard Zintl

Eduard Zintl (* 21. Januar 1898 in Weiden in der Oberpfalz; † 17. Januar 1941 in Darmstadt) war ein deutscher Chemiker, nach dem die chemischen Stoffklassen Zintl-Phasen und Zintl-Ionen benannt sind sowie die Zintl-Grenze zwischen 3. und 4. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente.

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Leben

Schulausbildung und Studium

Seine Schulzeit verbrachte Eduard Zintl in Weiden und Bayreuth. Nachdem er mit seiner Familie nach München umgezogen war, bestand er mit 18 Jahren die Abiturprüfung. Da zu dieser Zeit gerade der 1. Weltkrieg in Europa tobte, wurde der junge Eduard zum Militärdienst eingezogen. Sein Chemiestudium an der Bayerischen Akademie der Wissenschaften konnte er somit erst mit 21 Jahren aufnehmen. Das hinderte ihn aber nicht daran, eine beispiellose akademische Karriere zu starten. Schon in den ersten Semestern fiel er durch überdurchschnittliche Studienleistungen auf - auch Otto Hönigschmid, Leiter des Deutschen Atomgewichtslaboratoriums, wurde auf ihn aufmerksam: er machte ihn zum Famulus (Hilfsassistenten) und stellte ihm sein Privatlabor zur Verfügung, wo Eduard Zintl sich an Bestimmungen wichtiger Atomgewichte (Brom, Antimon, Silber, Gold,…) beteiligte. Er erhielt sogar eine Sondergenehmigung: er durfte mit seiner Dissertation beginnen, noch bevor er sein 2. Verbandsexamen (entspricht der Diplomprüfung) abgelegt hatte.

Promotion und Habilitation

Eduard Zintl promovierte bereits 1923, also im Alter von 25 Jahren mit der Arbeit „Revision des Atomgewichts des Broms durch vollständige Synthese des Bromsilbers“. Als Privatassistent im Atomlabor betreute er nach seiner Promotion Doktoranden von Otto Hönigschmid (u.a. Günther Rienäcker und Josef Goubeau) und widmete sich der bis dahin wenig beachteten potentiometrischen Titration, einer quantitativen Analysemethode. Auf diesem Gebiet wurde er bald schon zur Koryphäe.

Nebenbei verfasste er ein Lehrbuch mit dem Titel „Einführung in das Studium der anorganischen Chemie“. Das Vorwort des gut 360 Seiten umfassenden Werks beginnt mit einem Satz, der bezeichnend für seine Art des Unterrichts war und ihn auch durch sein weiteres Leben begleiten sollte: „Die moderne Anorganische Chemie ist angewandte Physikalische Chemie“.
Angeregt von neueren Untersuchungen durch Charles August Kraus, fanden die tiefblauen Lösungen von Metallen in flüssigem Ammoniak sein immer größer werdendes Interesse. Bereits in München begann er mit deren genauerer Erforschung. Im Jahre 1925, zwei Jahre nach seiner Promotion, habilitierte Eduard Zintl im Fach Chemie.
Auf die Zeit im Münchner „Atomlabor“ bei Otto Hönigschmid hat er stets mit Freude zurückgeblickt. Er pflegte ein sehr herzliches Verhältnis zu seinem Doktorvater, dessen Lieblingsschüler er war und der ihn als „hervorragendsten und vielseitigsten Kopf im Gebiet der zeitgenössischen anorganischen Chemie“ bezeichnet hatte. Die Arbeit im Atomlabor verschaffte ihm auch Glück im Privatleben. Er lernte hier Margarethe Steinheil kennen und lieben, die am gleichen Institut promoviert hatte. Die beiden heirateten im Jahre 1924.

1928-1933: Professor an der Universität Freiburg

Eduard Zintl verblieb an der Münchner Akademie als Kurator, bis er 1928 einem Ruf als außerordentlicher Professor an die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg folgte. Hier wurde er Leiter der anorganischen Abteilung des Chemischen Laboratoriums. Platzangebot und Geldmittel waren nicht gerade großzügig bemessen, doch Eduard Zintl leitete mit großer Experimentierfreude sein Labor und ging voll und ganz in seiner Arbeit auf. Er und seine Doktoranden sollen quasi im Labor gelebt haben.

Wenig von Ereignissen außerhalb der Forschungsarbeit abgelenkt, erarbeitete sich Eduard Zintl ein Thema, mit dem sein Name noch über seinen Tod hinaus für immer verbunden bleiben sollte: das Gebiet der intermetallischen Phasen (also der Verbindungen zwischen zwei oder mehr Metallen) - genauer: der später nach ihm benannten Zintl-Ionen und Zintl-Phasen. Seine erste, noch recht kurze Veröffentlichung zu diesem Thema erschien 1929: „Salzartige Verbindungen des Natriums und ihr Übergang zu intermetallischen Phasen“. 1931 folgten dann ausführlichere Berichte über seine Arbeiten mit Blei, Zinn und vielen anderen Elementen in flüssigem Ammoniak. Für die Untersuchungen über intermetallische Phasen wurde ihm später (1938) die Liebig-Denkmünze durch den Verein Deutscher Chemiker verliehen.
Zintls Ehrgeiz, jegliche Schwierigkeiten bei der Synthese chemischer Stoffe überwinden zu wollen, war bemerkenswert. So entwickelten er und seine Mitarbeiter Methoden, um luftempfindliche Substanzen mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie zu untersuchen. Nun konnten in seinem Labor auch luftinstabile Verbindungen wie die Alkalimetallhydride genauer unter die Lupe genommen und beschrieben werden.

In seinen Vorlesungen an der Universität Freiburg vermittelte Zintl weniger spezielle Besonderheiten der einzelnen chemischen Stoffe, sondern gab vorrangig einen Überblick über die Grundlagen, die nötig waren, um den Inhalt der Lehrbücher besser verstehen zu können. Denn „er wollte nicht vorlesen, was nachzulesen war“ (in einem Nachruf auf Eduard Zintl nach dessen Tode). Dieses Interesse an dem Erforschen, Formulieren und Vermitteln von Gesetzmäßigkeiten ist bezeichnend für Zintls gesamtes Lebenswerk.

ab 1933: Professor an der TH Darmstadt

Ein Ruf als ordentlicher Professor an die Technische Hochschule Darmstadt erreichte den Chemiker 1933. Am 1. Oktober dieses Jahres trat er dort die Position als Vorstand des Instituts für Anorganische Chemie an. Bereits im Jahre 1923 hatte er in seinem Lehrbuch geäußert, moderne Anorganische Chemie sei angewandte Physikalische Chemie; diese Auffassung konnte er nun für alle verdeutlichen: Zintl richtete an der TH Darmstadt eine physikalisch-chemische Abteilung ein und gab dem vereinigten Institut den Namen „Institut für Anorganische und Physikalische Chemie“.

Doch allmählich wurde allen klar, dass in diesem Institut einfach zu wenig Platz vorhanden war, da in der Zwischenzeit neue chemische Apparaturen entwickelt worden waren, die für die Laborarbeit unverzichtbar wurden, aber einiges an Raum einnahmen. Ein neues Gebäude musste her - Zintl organisierte einen weiträumigen, modern ausgestatteten Neubau in unmittelbarer Nähe zum alten Bauwerk. Der Grundstein wurde am 1. Oktober 1937 gelegt. Doch nicht nur den Unterrichtsraum, sondern auch den Unterrichtsplan für Studierende der Chemie in Darmstadt modernisierte Zintl. Er richtete einen neuen Studiengang ein, bei dem auf eine Grundausbildung eine Ausbildung für Fortgeschrittene folgte. Dieses Konzept wurde vom Reichserziehungsministerium später in einer durchgreifenden Reform für den Studiengang Chemie an allen Universitäten und Fachhochschulen übernommen.

Im Gegensatz zu vielen Universitätsprofessoren, die sich einzig und allein der Forschung an ihren Instituten widmeten, kooperierte Zintl auch mit der Chemischen Industrie. Er wurde Mitarbeiter der I.G. Farbenindustrie AG Aus dieser Zusammenarbeit gingen u.a. neue Forschungsergebnisse über Oxo-Verbindungen und Oxide hervor. Doch trotz dieses Einflusses von seiten der Industrie bekamen seine Arbeiten in Forschung und Lehre nicht den Charakter einer Zweckforschung: Zintl blieb der Grundlagenforschung treu. 1938 auf der Reichsarbeitstagung der Deutschen Chemiker in Bayreuth fasste er seine Ansichten von Forschung folgendermaßen zusammen:

„Wir treiben aber […] in der Wissenschaft eine Politik auf weite Sicht, und wir erstreben durch Grundlagenforschung eine umfassende Theorie, weil sie uns dem höchsten Ziel aller Wissenschaften näher bringt. Es besteht darin, Neues vorauszusagen. […] Damit wird aber alle Grundlagenforschung letzten Endes zur Zweckforschung auf weite Sicht.“

Nebenbei leitete er noch die Redaktion der „Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie“.

Zintl, dieser bedeutende und geniale Chemiker, konnte sein 43. Lebensjahr nicht vollenden: er verstarb am 17. Januar 1941 an einer schweren Erkrankung und konnte so den Einzug in das neue, von ihm mit geplante Institut nicht mehr miterleben. Auf seiner Gedächtnisfeier am 21. Januar 1942 wurde dem neuen Gebäude Zintl zu Ehren der Name „Eduard-Zintl-Institut für anorganische und physikalische Chemie“ verliehen.

Polyanionen und die Zintl-Grenze

Berichten von A. Joannis in den 90er Jahren des 19. Jahrhunderts zufolge bildeten sich bei der Reaktion von Blei mit Natrium in flüssigem Ammoniak intensiv grün gefärbte Lösungen. Eduard Zintl interessierte sich für die Chemie, die hinter dieser Reaktion steckte. Er nutzte die Methoden der potentiometrischen Titration und der elektrolytischen Überführung, bei denen er Fachmann war, um dieses Phänomen zu untersuchen. Und er hatte Erfolg. Denn er wies als erster nach, dass die gefärbten Lösungen, die die Wissenschaftler schon längere Zeit ins Grübeln versetzt hatten, polaren Charakter besaßen. Mit anderen Worten: sie enthielten geladene Teilchen.

Eduard Zintl kam zu dem Schluss, dass es sich bei dieser Art von Teilchen um Polyanionen handelte, also um mehrere Atome desselben Elements, die sich zusammengelagert hatten und als Verband negative Ladung besaßen. Als Gegenion diente das von Lösemittelmolekülen umhüllte Alkalimetallkation. Bei der beschriebenen Reaktion von Blei mit Natrium in flüssigem Ammoniak bildete sich demnach ein polyanionisches Salz der Zusammensetzung [Na(NH₃)_x]⁺₄[Pb₉]^4-. Die Polyanionen zerfielen jedoch, sobald er das Lösemittel vollständig entfernte.

Dass Halogene (Fluor, Chlor, Brom, Iod) und Chalkogene (Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur) Anionen bilden konnten, war seit längerem bekannt. Aber Eduard Zintl hatte nun nachgewiesen, dass auch Elemente weiter links im Periodensystem (wie z.B. Blei) dazu befähigt waren. Er wies in folgenden Untersuchungen auch Polyanionen anderer Elemente nach - und zwar des Zinns, Antimons und Bismuts.

Es gab jedoch Elemente, bei deren Reaktion mit Natrium in flüssigem Ammoniak niemals Polyanionen entstanden - und das waren Elemente, die im Periodensystem mehr als vier Hauptgruppen vor den Edelgasen stehen (z. B. Indium, Thallium, Quecksilber). Hier bildeten sich immer nur unlösliche Verbindungen, die typische Legierungsstrukturen formten. Es waren dies die gleichen Produkte, die man auch durch das Zusammenschmelzen der reinen Metalle erhielt.
Zintl unterschied somit zwischen Anionenbildnern und Nicht-Anionenbildnern, also Elementen, die ein bis vier Hauptgruppen vor den Edelgasen stehen und zur Bildung von Anionen bzw. Polyanionen befähigt sind, und Elementen weiter links im Periodensystem, die diese Eigenschaft nicht besitzen. Diese Grenze zwischen dritter und vierter Hauptgruppe wurde in einem Nachruf an Eduard Zintl von Fritz Laves als Zintl-Grenze bzw. Zintl-Linie bezeichnet. Sie ist noch heute unter diesen Namen bekannt, auch wenn sie inzwischen als weniger allgemeingültig und sinnvoll angesehen wird als früher angenommen. (Denn inzwischen konnten auch Polyanionen des Indiums hergestellt werden - allerdings nicht in flüssigem Ammoniak, sondern in Reaktionen ohne Lösemittel bei viel höheren Temperaturen.)

Solche Polyanionen der schwereren Metalle, die früher nur in flüssigem Ammoniak bekannt waren, wurden später zu Ehren ihres Entdeckers als Zintl-Ionen bezeichnet.

Intermetallische Phasen

Bei der Reaktion von Elementen der 3. Hauptgruppe (z.B. Thallium) mit Natrium in flüssigem Ammoniak fand Eduard Zintl keine Polyanionen. Stattdessen erhielt er ein legierungsähnliches System. Bei dieser intermetallischen Verbindung (also der Verbindung zwischen den zwei Metallen Natrium und Thallium) wies er einen neuen, noch unbekannten Aufbau nach: die NaTl-Struktur. Das Besondere ist, dass die Atome der beiden Elemente (Thallium und Natrium) unabhängig voneinander jeweils so angeordnet sind wie die Kohlenstoffatome im Diamant.

Er erkannte erstmals das Prinzip, das hinter dem Aufbau vieler intermetallischer Phasen steckt: die Anionen bilden eine Struktur, die derjenigen entspricht, die ein Element mit der gleichen Anzahl Valenzelektronen auch einnimmt. In diesem Fall bildet das formal einfach negativ geladene Thalliumion (mit vier Valenzelektronen) eine Struktur, die der Kohlenstoff (in der vierten Hauptgruppe, also mit ebenfalls vier Valenzelektronen!) aufgrund derselben Bindigkeit genauso ausbildet. Diese Gesetzmäßigkeit bezeichnet man heute als klassisches Zintl-Konzept, es wurde später von Wilhelm Klemm und E. Busmann noch erweitert.

Von diesen neuen Ergebnissen beflügelt, untersuchte Eduard Zintl systematisch noch viele weitere Verbindungen von Metallen untereinander. Fritz Laves führte daraufhin in dem bereits erwähnten Nachruf an Eduard Zintl den Begriff Zintl-Phasen ein. Er hatte so erfolgreich einen Überbegriff für die vielen intermetallischen Verbindungen, die Zintl beschrieben hatte, gefunden.

Heutzutage meint der Begriff Zintl-Phase intermetallische Phasen mit stark ionischen Bindungsanteilen, also Stoffe, in denen die Art der Bindung eine Übergangsform zwischen Metall- und ionischer Bindung darstellt. Es sind dies die Alkali- und Erdalkali-Verbindungen mit Metallen oder Halbmetallen der dritten bis fünften Hauptgruppe, also von Komponenten mit relativ hohem Elektronegativitätsunterschied. Der Prototyp der Zintl-Phasen ist nach wie vor NaTl. Da Zintl-Phasen ionisch aufgebaut sind, sind aufgrund der zusätzlichen Gitterenergien ihre Bildungsenthalpien vergleichbar mit denen typischer Salze. Sie besitzen salzähnliche Sprödigkeit und Schmelzpunkte, die über denen der Metallkomponenten liegen. Zudem lösen sie sich im Unterschied zu Legierungen gut in koordinierenden Lösemitteln wie flüssigem Ammoniak.

Literatur

• H. W. Kohlschütter, Naturwissenschaften, 1941, 17, 240-244 doi:10.1007/BF01479156
• F. Laves, Naturwissenschaften, 1941, 17, 244-255 doi|10.1007/BF01479157
• Deichmann, Uta: Flüchten, Mitmachen, Vergessen. Chemiker und Biochemiker in der NS-Zeit, Weinheim 2001.