铝13

铝13是一个非常有意思的分子，或者称“超级原子”，化学式Al₁₃。它并不是超理物质，但在锑星和铝星，铝13是非常常见的。（这一点类似于铝14）

合成

碲球方法

施夫·汉纳教授和他的同行———宾夕法尼亚大学物理学家卡斯尔曼教授，首先在实验室中将金属铝制成蒸气，在这个过程中会形成一些由多个铝原子组成的极其微小的球，他们发现由13个铝原子组成的小球最稳定。然后，他们使用质谱仪从铝蒸气中过滤出这些AL13“超级原子”，让它们与呈链形的碘分子发生化学反应。结果发现AL13“超级原子”取代了碘分子中的一个碘原子的位置，其他碘原子也“悬挂”在AL13“超级原子”上，这样就产生了一种新的碘铝化合物，在该碘铝化合物中AL13“超级原子”显示了类似碘原子的性质。

锑星方法

在锑场中，用纯铝作为电极电解碱金属，可以析出含有Al₁₃^-的盐。电压不能太大，否则容易进一步反应生成铝负离子化合物，比如Al₄^2-。由于Al₄^2-也具有相当高的稳定性，这两个反应是相互竞争的。

在锑场中，将铝单质气化，然后用低能量电子照射，可以让一部分铝转化为能量更低的Al₁₃^-。由于带电荷，Al₁₃^-很容易分离出来。

结构

Al₁₃^-具有40个价电子和正二十面体结构。Al13虽然只有39个价电子，但也是正二十面体结构。

Al₁₃⁺只有38个价电子，由于出现未填满的电子壳层，于是高对称性的正二十面体而转变为对称性较低的正十面体结构。

卤素

铝13虽然是类似卤素原子的超级原子，但它和卤素、拟卤素都不一样——铝13不能二聚！

这是因为Al₁₃太大，单电子所在的SOMO轨道重叠效率太低，再加上空间位阻与电子云的相互排斥，热力学和动力学都禁止了(Al₁₃)₂的生成。

实际上，锑星科学家已经证明不可能合成出(Al₁₃)₂——因为它宁愿聚合成一个更大的铝原子簇Al₂₆。

性质

“ 最近对团簇Al13的研究又有了新的发现。在中性Al13和I原子反应的整个过程中，Al13都保持着正二十面体的结构完整性，具有比I原子更大的电子亲和力，更容易吸引电子，被称为“超级卤素”。 ”

氧化性

它能和碱金属（比如钠）或金属铵发生以下反应：Na+Al₁₃=NaAl₁₃；NH₄+Al13=NH₄Al_13。

另外，它也可以氧化碘离子，不过一般需要过渡金属作为催化剂。3KI+2Al₁₃=KI₃+2KAl₁₃。实际上还会出现Al₁₃I这样的共价化合物。

由于具有很高的电子亲和力，Al₁₃H中的氢显正价而不是负价，这一点和普通的铝氢化合物（如LiAlH₄）完全不一样。

还原性

铝13阴离子可以被氧化为铝13，比如在锑场中将活化了的臭氧通入铝13化钠的水溶液中，产生铝13：6NaAl₁₃+O₃+3H₂O=6NaOH+6Al₁₃↓。不同于卤素、拟卤素，Al₁₃不能在碱性条件下发生歧化反应。

氧气不能氧化铝13化钠，但通过发功，氧气的氧化能力会被额外增强，使其有效电极电势超过+1.0V，从而顺利发生反应。

铝13可以被比较强的氧化剂氧化为铝13阳离子（虽然直接电解会更方便）：Al₁₃+2CoCl₃→Al₁₃(CoCl₄)+CoCl₂。估测E(Al₁₃⁺/Al₁₃)=+1.62V

可以使用锑场调节铝13正离子的电极电势，确保它不被进一步地氧化为Al³⁺。

酸性/碱性

Al₁₃H的共轭碱Al₁₃^-把负电荷分散在了很大的离域体系上，这使得Al₁₃^-作为共轭碱异常稳定。

因此Al₁₃H是一个超强酸，其酸性远超HI和HAt，它的理论pKa达到了非常惊人的-18，虽然实际测出来只有大约-13。

这10万倍的酸性差距源自氢桥键——Al₁₃H分子并非以单体存在，而是通过其裸露的质子与邻近Al13-团簇形成了异常强大的多中心分子间氢桥键。

有机化学

铝13化碘是用来合成其他铝13有机化合物的关键材料。这其中，碳端带部分正电荷。铝13有机化合物在不同的反应条件下可以选择给出R自由基或者R⁺，这一点普通的卤代烃是做不到的。

甲基铝13是最简单的有机化合物，可以用格氏试剂或者其他低活性的碳负离子试剂制取。

甲基铝13是一种对空气和水分敏感的物质，非常容易和氧气反应生成不稳定的过氧化物，也容易被水解为Al₁₃H和CH₃OH。它有刺鼻的恶臭，熔点较高但容易挥发。

不同于其他的铝13有机化合物，甲基铝13可以被Ag⁺氧化随后重排，产生Al₁₂C，在少量超盐酸负离子催化下反应迅速进行。

反应方程式：$${\text{Al}}_{13}{\text{CH}}_{3}+6{\text{Ag}}^{+}\xrightarrow {{\text{Cl}}_{10}^{10-}} {\text{Al}}_{12}{\text{C}}+{\text{Al}}^{3+}+6{\text{Ag}}+3{\text{H}}^{+}$$这个反应生成了更加稳定的Al₁₂C，后者具有40个价电子和正二十面体结构。

这个反应最有趣的一点是，这个碳原子从原子簇的最外侧直接重排到了原子簇的最中心。

特殊

特殊一

铝13和普通的铝能不能形成铝化铝呢？答案是可以的。

Al与Al₁₃反应可以生成Al(Al₁₃)₃，但阴阳离子的巨大尺寸和电荷密度差距导致这个化合物非常不稳定，会瞬间重排成一个更大的铝原子簇Al₄₀。

在其中加入适量锑化锑可以有效阻止Al(Al₁₃)₃的分解。

铝13可以与铝14形成一种互化物：(Al₁₄)(Al₁₃)₂，将两者的盐混合起来即可得到此物质。这种物质相对稳定。

特殊二

铝13可以制作铝素半导体前体：Al₁₃NH₂和Al₁₃BH₂。它们在水中溶解度很小，而在超水中易溶。

这两种物质具有类似金属烷基化合物的特殊气味，而且在很低的浓度下也能闻到。

和Al₁₃CH₃不同的是，它们在水中的稳定性要更高，在水溶液中加热至100℃才缓慢分解。

这是因为N有孤电子对，它可以填入Al₁₃的LUMO，反过来Al₁₃的HOMO与NH₂片段的反键轨道相互作用，键级增强。

同理，B有空轨道，它可以被Al₁₃的HOMO填入，反过来Al₁₃的LUMO与BH₂片段的反键轨道相互作用，键级增强。

Dissian计算显示，Al₁₃–N与Al₁₃–B键的Zhao键级均为1.62。

在酸性条件下，Al₁₃NH₂形成Al₁₃NH₃⁺离子，这会使得它慢慢分解，产生Al₁₃⁺和NH₃，最终生成N₂和Al₁₃。使用硝酸和Al₁₃NH₂反应极容易发生爆炸，但在超水中Al₁₃NH₂与纯硝酸反应得到Al₁₃NO₃和硝酸铵。

在碱性条件下，Al₁₃BH₂与亲核试剂Nu^-结合形成Al₁₃BH₂Nu^-，它随后发生异裂，生成Al₁₃^-和BH₂Nu。烷基锂这样的超强碱却能让Al₁₃NH₂反应生成铝13化锂和烷基胺（过量的烷基锂还能和烷基胺继续反应）。