p區元素(一):第13、14族

氯化鋁二聚體(Al2Cl6)

/ DY-mer /

寫下氯化鋁,你自然會寫成 AlCl3。但把固體加熱到昇華,捕住蒸氣,再稱一個分子的質量,你會發現它有 AlCl3 的兩倍重:大自然把兩個單元配成一對,結合為 Al2Cl6。一個看起來像鹽的化合物,為何要以雙分子形式四處行走?答案,正是纏繞著整個第 13 族的那種缺電子。

在單個 AlCl3 單元中,鋁只有六個價電子,離八隅體差兩個,還有一個空軌域,正像 BF3 裡的硼。為滿足自己,每個鋁從相鄰 AlCl3 單元的一個氯那裡借來一對孤對電子。兩個單元通過兩個橋連氯鎖在一起,給出 Al2Cl6:每個鋁如今為四配位、四面體,帶兩個端基 Cl 和兩個共享的橋連 Cl,後者各向對面的鋁給出一對孤對電子(Al-Cl-Al 橋,這裡是普通的配位鍵,而非硼烷裡的 3c-2e 鍵)。結果是一對乾淨俐落的共稜四面體。強熱時二聚體裂回單體 AlCl3,在水中則劇烈水解,一邊形成水合離子和 HCl 一邊冒煙。

這種二聚之所以重要,是因為它最乾淨地證明了第 13 族三鹵化物渴求第四對電子——正是這同一股驅動力讓它們成為強路易斯酸。AlCl3 是傅-克(Friedel-Crafts)反應裡經典的路易斯酸催化劑,它從烷基或醯基鹵化物上拽下一個鹵離子以生成活潑陽離子。二聚體的故事還說明,化學式不等於結構:知道經驗式 AlCl3,並不能告訴你這個物種是巨型離子晶格(固體)、橋連二聚體(蒸氣和非極性溶劑中),還是溶劑化的單體。

固體 AlCl3 實際上是六配位鋁的層狀離子晶格,但當它在約 180 攝氏度昇華時,蒸氣是共價的橋連二聚體 Al2Cl6。同一個化學式,隨相態不同描述著三種不同結構。

化學式是 AlCl3,蒸氣中的結構卻是 Al2Cl6:經驗式掩蓋了真正存在的物種。

Al2Cl6 中的橋連 Al-Cl-Al 鍵是普通的雙中心配位鍵,由氯的孤對電子填入鋁的空軌域。它們不是乙硼烷裡的三中心兩電子鍵;與氫不同,氯有孤對電子可借,因此不需要在三個中心上分攤電子。

又稱
dialuminum hexachloridealuminium chloride氯化铝氯化鋁