Свойства углерода, кремния и их соединений встречаются в тестовой части ЕГЭ по химии (задания № 6–9), а также в сложных задачах второй части (задания № 29–31). Из-за обилия частных случаев эта тема часто вызывает трудности на экзамене. В статье рассмотрим физические и химические свойства этих неметаллов, разберём логику реакций и типичные ловушки, чтобы успешно решать варианты без необходимости просто зазубривать формулы.
Теоретическая основа: положение в таблице и степени окисления
Углерод ($C$) и кремний ($Si$) находятся в главной подгруппе IV группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. На внешнем энергетическом уровне у них находится по 4 электрона (электронная конфигурация внешнего слоя $ns^2 np^2$). До завершения октета им не хватает именно четырёх электронов.
Возможные и наиболее устойчивые степени окисления для этих элементов:
| Степень окисления | Значение | Примеры для углерода | Примеры для кремния |
|---|---|---|---|
| −4 | Низшая (принимает 4 электрона) | $CH_4$ (метан), $Al_4C_3$ | $SiH_4$ (силан), $Mg_2Si$ |
| 0 | В виде простого вещества | $C$ (алмаз, графит) | $Si$ (кристаллический) |
| +2 | Промежуточная | $CO$ (угарный газ) | $SiO$ (в ЕГЭ почти не встречается) |
| +4 | Высшая (отдаёт 4 электрона) | $CO_2,\, H_2CO_3,\, Na_2CO_3$ | $SiO_2,\, H_2SiO_3,\, K_2SiO_3$ |
Кремний имеет больший радиус атома, чем углерод. Из-за этого он легче отдаёт электроны и проявляет более выраженные металлические (восстановительные) свойства, тогда как углерод является типичным неметаллом.
Физические свойства
Углерод в природе существует в нескольких аллотропных модификациях: графит, алмаз, фуллерен и многие другие. По физическим свойствам разные модификации очень различаются. Алмаз обладает сверхтвёрдостью, это прозрачные кристаллы. Графит — чёрное вещество с характерным блеском, обладает невысокой твёрдостью. Алмаз и графит обладают атомной кристаллической решёткой, фуллерен — молекулярной. Кремний чаще всего встречается в виде серого кристаллического порошка. Он имеет атомную кристаллическую решётку, похожую на решётку алмаза.
Химические свойства простых веществ
Свойства углерода
С химической точки зрения углерод при обычных температурах малоактивен. Для вступления в реакции его необходимо нагревать.
При нагревании углерод реагирует с активными металлами с образованием карбидов:
$2C + Ca \xrightarrow{t} CaC_2 \text{ (ацетиленид кальция)}$
$3C + 4Al \xrightarrow{t} Al_4C_3 \text{ (метанид алюминия)}$
Углерод активно выступает восстановителем по отношению к неметаллам:
$C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2 \text{ (горение в избытке кислорода)}$
$2C + O_2 \xrightarrow{t} 2CO \text{ (тление при недостатке кислорода)}$
$C + 2H_2 \xrightarrow{t,\, p} CH_4 \text{ (образование метана при высоких температурах и давлении)}$
$C + 2F_2 \rightarrow CF_4 \text{ (реакция с фтором идёт без нагревания)}$
$C + 2S \xrightarrow{t} CS_2 \text{ (образование сероуглерода)}$
Получение синтез-газа при пропускании водяного пара над раскалённым углём:
$C + H_2O \xrightarrow{t} CO + H_2\uparrow$
Восстановление металлов из их оксидов (пирометаллургия). Углерод часто забирает кислород:
$C + 2CuO \xrightarrow{t} 2Cu + CO_2\uparrow$
$3C + Fe_2O_3 \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO\uparrow$
В реакциях с концентрированными кислотами-окислителями углерод окисляется до своей высшей степени окисления (+4):
$C + 2H_2SO_4\text{(конц.)} \rightarrow CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O$
$C + 4HNO_3\text{(конц.)} \rightarrow CO_2\uparrow + 4NO_2\uparrow + 2H_2O$
Свойства кремния
Он реагирует при нагревании, проявляя свойства и окислителя, и восстановителя:
$Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$
$Si + C \xrightarrow{t} SiC \text{ (карборунд, очень твёрдое вещество)}$
$Si + 2Cl_2 \xrightarrow{t} SiCl_4$
$2Mg + Si \xrightarrow{t} Mg_2Si \text{ (образование силицидов)}$
Характерная особенность кремния — способность вытеснять водород из концентрированных растворов щелочей. Это качественная реакция, которая встречается в заданиях в качестве ловушки:
$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$
Из кислот кремний активно взаимодействует только с плавиковой кислотой (газообразным или жидким фтороводородом):
$Si + 4HF \rightarrow SiF_4\uparrow + 2H_2\uparrow$
В промышленности кремний получают восстановлением из его оксида:
$SiO_2 + C \xrightarrow{t} Si + CO_2\uparrow$
$SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} 2MgO + Si$
Свойства оксидов углерода и кремния
Угарный газ ($CO$)
Оксид углерода(II) относится к несолеобразующим оксидам. С водой и обычными кислотами соли не образует, но является мощным восстановителем:
$2CO + O_2 \xrightarrow{t} 2CO_2 \text{ (горит синим пламенем)}$
$CO + CuO \xrightarrow{t} Cu + CO_2\uparrow \text{ (используется в металлургии)}$
$CO + 3H_2 \xrightarrow{\text{кат.,}\, t,\, p} CH_4 + H_2O \text{ (получение алканов или спиртов)}$
При высоком давлении и нагревании $CO$ реагирует с расплавом щёлочи. В результате образуется формиат (соль муравьиной кислоты):
$CO + NaOH \xrightarrow{t,\, p} HCOONa$
Получить угарный газ можно восстановлением углекислого газа или с помощью дегидратации муравьиной кислоты:
$CO_2 + C \xrightarrow{t} 2CO$
$HCOOH \xrightarrow{H_2SO_4\text{(конц.)}} CO\uparrow + H_2O$
Углекислый газ ($CO_2$) и угольная кислота
Оксид углерода(IV) — типичный кислотный оксид. При растворении в воде образует слабую и неустойчивую угольную кислоту.
На экзамене угольная кислота в продуктах реакций ионного обмена всегда расписывается на воду и углекислый газ, записывать $H_2CO_3$ как продукт нельзя.
$CO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3$
$H_2CO_3 \rightarrow CO_2\uparrow + H_2O$
Как кислотный оксид, $CO_2$ реагирует с основными оксидами и щелочами. В реакциях со щелочами важно следить за соотношением реагентов, так как могут образоваться средние или кислые соли:
$CO_2 + CaO \rightarrow CaCO_3$
$CO_2 + 2NaOH \text{ (избыток)} \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
$CO_2 \text{ (избыток)} + NaOH \rightarrow NaHCO_3$
Углекислый газ способен выступать в роли окислителя в реакциях с очень активными металлами. Например, магний горит в атмосфере углекислого газа:
$2Mg + CO_2 \xrightarrow{t} 2MgO + C$
Оксид кремния ($SiO_2$)
Песок, кварц и кремнезём имеют в своей основе оксид кремния(IV). Это кислотный оксид с атомной кристаллической решёткой. Он совершенно не реагирует с водой, поэтому получить из него кислоту прямым растворением невозможно.
Со щелочами и основными оксидами он реагирует исключительно при нагревании (сплавлении):
$SiO_2 + CaO \xrightarrow{t} CaSiO_3$
$SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$
Более сильный и менее летучий кислотный оксид $SiO_2$ при нагревании способен вытеснять летучий $CO_2$ из карбонатов:
$SiO_2 + Na_2CO_3 \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + CO_2\uparrow$
Аналогичная реакция протекает при нагревании оксида кремния с сульфитами.
Качественная реакция (травление стекла) — растворение $SiO_2$ в плавиковой кислоте. Другие кислоты на него не действуют:
$SiO_2 + 4HF \rightarrow SiF_4\uparrow + 2H_2O$
Сравнение свойств оксидов углерода и кремния:
| Характеристика | $CO_2$ | $SiO_2$ |
|---|---|---|
| Агрегатное состояние | Газообразное | Твёрдое (песок, кварц) |
| Кристаллическая решётка | Молекулярная | Атомная |
| Отношение к воде | Растворяется, даёт кислую среду | С водой не взаимодействует |
| Специфические свойства | Выделяется при разложении солей | Вытесняет $CO_2$ при сплавлении; реагирует с $HF$ |
Свойства солей: карбонаты, гидрокарбонаты и силикаты
Карбонаты и гидрокарбонаты
Все гидрокарбонаты (кислые соли) хорошо растворимы в воде. Из средних карбонатов растворимы только соли щелочных металлов и аммония.
Обе группы солей бурно реагируют с сильными кислотами с выделением углекислого газа:
$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + CO_2\uparrow + H_2O$
$NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + CO_2\uparrow + H_2O$
Кислые соли можно переводить в средние путём добавления щёлочи, а средние соли можно превращать в кислые через добавление избытка кислотного оксида ($CO_2$) и воды:
$NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
$Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow 2NaHCO_3$
При нагревании все нерастворимые карбонаты распадаются на оксид металла и углекислый газ. Гидрокарбонаты щелочных металлов также разлагаются при нагревании, переходя в средние соли. Карбонаты щелочных металлов плавятся, но не разлагаются:
$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow$
$2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + CO_2\uparrow + H_2O$
Совместный необратимый гидролиз — важное свойство карбонатов и гидрокарбонатов. При сливании раствора карбоната или гидрокарбоната с раствором соли алюминия, хрома(III) или железа(III) происходит взаимное усиление гидролиза. В итоге выпадает осадок гидроксида металла и выделяется газ:
$3Na_2CO_3 + 2AlCl_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6NaCl$
Кремниевая кислота и силикаты
Кремниевая кислота ($H_2SiO_3$) — это студенистый осадок, нерастворимый в воде. Угольная кислота немного сильнее кремниевой.
Углекислый газ, пропущенный через раствор растворимого силиката, способен вытеснить кремниевую кислоту в осадок. Сильные кислоты действуют аналогично:
$Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + 2NaCl$
$Na_2SiO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + Na_2CO_3$
Сама кремниевая кислота нестабильна при нагревании и легко теряет воду:
$H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$
Кремниевая кислота растворяется в щелочах:
$2NaOH + H_2SiO_3 \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2O$
Большинство силикатов — нерастворимые соли. Растворимы силикаты натрия, калия, рубидия и цезия. Для этих солей характерны реакции ионного обмена с выпадением осадка:
$Na_2SiO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaSiO_3 \downarrow + 2NaCl$
| Характеристика | Угольная кислота ($H_2CO_3$) | Кремниевая кислота ($H_2SiO_3$) |
|---|---|---|
| Растворимость в воде | Существует только в растворе | Нерастворима (выпадает осадок) |
| Устойчивость | Разлагается при нормальных условиях | Разлагается при нагревании |
| Абсолютная сила | Слабая | Очень слабая (слабее угольной) |
Практика: пошаговые решения заданий ЕГЭ
Рассмотрим алгоритмы выполнения типичных тестовых заданий из экзамена.
Задание 1
Установите соответствие между исходными веществами, вступающими в реакцию, и продуктами, которые образуются при взаимодействии этих веществ.
Исходные вещества:
А) $Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow$
Б) $Na_2CO_3 + HCl \rightarrow$
В) $Na_2CO_3 + SiO_2 \xrightarrow{t}$
Продукты реакции:
1. $NaHCO_3$.
2. $Na + CO$.
3. $Na_2SiO_3 + CO_2$.
4. $Na + Si + CO$.
5. $NaCl + CO + H_2O$.
6. $NaCl + CO_2 + H_2O$
А) Пропускание избытка кислотного оксида $CO_2$ через среднюю соль приводит к образованию кислой соли. Образуется гидрокарбонат натрия $NaHCO_3$. Правильный ответ: 1.
Б) К избытку раствора карбоната добавляют кислоту. Более сильная соляная кислота вытесняет слабую угольную: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + CO_2 + H_2O$. Правильный ответ: 6.
В) Реакция сплавления среднего карбоната с тугоплавким оксидом $SiO_2$. Кремнезём стабильнее и нелетуч, поэтому вытесняет $CO_2$, занимая его место в соли. Получается силикат натрия $Na_2SiO_3$. Правильный ответ: 3.
Ответ: 163.
Задание 2
Установите соответствие между формулой вещества и химическими реагентами, с каждым из которых это вещество может взаимодействовать.
Вещество: $SiO_2$
Реагенты:
1. $Al,\, HNO_3,\, CO$.
2. $C,\, KOH,\, HF$.
3. $NaOH,\, H_2O,\, CaO$.
Нужно опираться на специфические свойства оксида кремния(IV).
Проверим первый набор: с азотной кислотой оксид не реагирует, как и с угарным газом. Этот вариант не подходит.
Проверим третий набор: реакция со щелочами ($NaOH$) и основными оксидами ($CaO$) идёт при сплавлении. Но с холодной или горячей водой $H_2O$ песок не реагирует. Вариант отпадает.
Проверим второй набор: углерод способен забирать кислород у $SiO_2$ при высоких температурах (восстановление кремния).
$SiO_2 + C \xrightarrow{t} Si + CO_2\uparrow$
Твёрдая щёлочь $KOH$ вступит в реакцию при сплавлении с образованием силиката.
$2KOH + SiO_2 \xrightarrow{t} K_2SiO_3 + H_2O$
Плавиковая кислота $HF$ будет травить стекло с выделением фторида кремния $SiF_4$.
$SiO_2 + 4HF \rightarrow SiF_4\uparrow + 2H_2O$
Все реагенты подходят. Вариант верный.
Ответ: 2.
Задание 3
Задана следующая схема превращений веществ:
$X \xrightarrow{NaOH} Na_2CO_3 \xrightarrow{Y} CO_2$
Определите, какие из указанных веществ являются X и Y:
1. $CO$.
2. $CaCO_3$.
3. $HCl$.
4. $CO_2$.
Вещество X взаимодействует со щёлочью и даёт среднюю соль (карбонат натрия). В такую реакцию вступает кислотный оксид $CO_2$. Угарный газ $CO$ со щёлочью образует формиат $HCOONa$, поэтому он не подходит. Из предложенных вариантов правильным ответом для вещества X будет $CO_2$. Карбонат кальция в реакцию с щёлочью не вступит, так как это нерастворимая соль. Значит, X — 4.
Рассмотрим второе превращение. Из карбоната натрия нужно получить $CO_2$. Это реакция ионного обмена, для которой потребуется сильная кислота. В предложенном списке это соляная кислота ($HCl$). Следовательно, Y — 3.
Ответ: 43.
Типичные ошибки на ЕГЭ
Существуют классические ловушки, в которых баллы теряются чаще всего.
Взаимодействие оксида кремния с водой
Ошибка: $SiO_2 + H_2O \rightarrow H_2SiO_3$
Причина: применяют к оксиду кремния общее правило (кислотные оксиды дают кислоты при растворении в воде).
Правильный подход: кремнезём имеет атомную решётку и не растворяется в воде.
Запись угольной кислоты в продуктах реакций обмена
Ошибка: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2CO_3$
Причина: механически меняются местами участники реакции без учёта стабильности продукта.
Правильный подход: угольная кислота нестабильна при обычных условиях. Запись во второй части (например, в задании № 31) должна быть только в виде: $CO_2\uparrow + H_2O$. За молекулу $H_2CO_3$ в химическом уравнении эксперты снимают баллы.
Взаимодействие угарного газа со щелочами
Ошибка: $CO + NaOH \rightarrow Na_2CO_3$ и выделение водорода.
Причина: путают $CO$ с $CO_2$, пытаясь написать реакцию образования обычного карбоната.
Правильный подход: угарный газ — несолеобразующий оксид. Исключительная реакция возможна только с расплавом щёлочи при нагревании и давлении. Продуктом будет органическая соль: $CO + NaOH \rightarrow HCOONa$.
Растворимость кремния в кислотах
Ошибка: $Si + 4HCl \rightarrow SiCl_4 + 2H_2$
Причина: предположение, что кремний способен вытеснять водород из сильных галогеноводородных кислот, как активный металл.
Правильный подход: кремний не реагирует с обычными кислотами-неокислителями. Уникальным свойством обладает лишь фтороводородная кислота (из-за прочности образующейся связи $Si{-}F$): $Si + 4HF \rightarrow SiF_4\uparrow + 2H_2\uparrow$.
Заключение
После проработки темы химия элементов 14-й группы воспринимается как чёткая система. Теперь ты умеешь:
- определять продукты специфических реакций $CO$ и $SiO_2$;
- правильно записывать продукты гидролиза и ионного обмена с участием неустойчивой угольной кислоты;
- предсказывать химические свойства простых веществ и их кислотных оксидов.
Чтобы закрепить тему, порешай задания в «100балльном банке» — там собраны задачи разного уровня сложности для отработки теории.
