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 ( $S i$ ) 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 $n s^{2} n p^{2}$ ). До завершения октета им не хватает именно четырёх электронов.[i]

Возможные и наиболее устойчивые степени окисления для этих элементов:

Степень окисления	Значение	Примеры для углерода	Примеры для кремния
−4	Низшая (принимает 4 электрона)	$C H_{4}$ (метан), $A l_{4} C_{3}$	$S i H_{4}$ (силан), $M g_{2} S i$
0	В виде простого вещества	$C$ (алмаз, графит)	$S i$ (кристаллический)
+2	Промежуточная	$C O$ (угарный газ)	$S i O$ (в ЕГЭ почти не встречается)
+4	Высшая (отдаёт 4 электрона)	$C O_{2}, H_{2} C O_{3}, N a_{2} C O_{3}$	$S i O_{2}, H_{2} S i O_{3}, K_{2} S i O_{3}$

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.[i]

Подготовка к экзаменам в 100балльном репетиторе

Химические свойства простых веществ

Свойства углерода

С химической точки зрения углерод при обычных температурах малоактивен. Для вступления в реакции его необходимо нагревать.[i]

При нагревании углерод реагирует с активными металлами с образованием карбидов:

2 C + C a \overset{t}{\to} C a C_{2} (ацетиленид кальция)

3 C + 4 A l \overset{t}{\to} A l_{4} C_{3} (метанид алюминия)

Углерод активно выступает восстановителем по отношению к неметаллам:

C + O_{2} \overset{t}{\to} C O_{2} (горение в избытке кислорода)

2 C + O_{2} \overset{t}{\to} 2 C O (тление при недостатке кислорода)

C + 2 H_{2} \overset{t, p}{\to} C H_{4} (образование метана при высоких температурах и давлении)

C + 2 F_{2} \to C F_{4} (реакция с фтором идёт без нагревания)

C + 2 S \overset{t}{\to} C S_{2} (образование сероуглерода)

Получение синтез-газа при пропускании водяного пара над раскалённым углём:

C + H_{2} O \overset{t}{\to} C O + H_{2} ↑

Восстановление металлов из их оксидов (пирометаллургия). Углерод часто забирает кислород:

C + 2 C u O \overset{t}{\to} 2 C u + C O_{2} ↑

3 C + F e_{2} O_{3} \overset{t}{\to} 2 F e + 3 C O ↑

В реакциях с концентрированными кислотами-окислителями углерод окисляется до своей высшей степени окисления (+4):[i]

C + 2 H_{2} S O_{4} (конц.) \to C O_{2} ↑ + 2 S O_{2} ↑ + 2 H_{2} O

C + 4 H N O_{3} (конц.) \to C O_{2} ↑ + 4 N O_{2} ↑ + 2 H_{2} O

Свойства кремния

Он реагирует при нагревании, проявляя свойства и окислителя, и восстановителя:

S i + O_{2} \overset{t}{\to} S i O_{2}

S i + C \overset{t}{\to} S i C (карборунд, очень твёрдое вещество)

S i + 2 C l_{2} \overset{t}{\to} S i C l_{4}

2 M g + S i \overset{t}{\to} M g_{2} S i (образование силицидов)

Из кислот кремний активно взаимодействует только с плавиковой кислотой (газообразным или жидким фтороводородом):[i]

S i + 4 H F \to S i F_{4} ↑ + 2 H_{2} ↑

В промышленности кремний получают восстановлением из его оксида:

S i O_{2} + C \overset{t}{\to} S i + C O_{2} ↑

S i O_{2} + 2 M g \overset{t}{\to} 2 M g O + S i

Свойства оксидов углерода и кремния

Угарный газ ( $C O$ )

Оксид углерода(II) относится к несолеобразующим оксидам. С водой и обычными кислотами соли не образует, но является мощным восстановителем:[i]

2 C O + O_{2} \overset{t}{\to} 2 C O_{2} (горит синим пламенем)

C O + C u O \overset{t}{\to} C u + C O_{2} ↑ (используется в металлургии)

C O + 3 H_{2} \overset{кат., t, p}{\to} C H_{4} + H_{2} O (получение алканов или спиртов)

При высоком давлении и нагревании $C O$ реагирует с расплавом щёлочи. В результате образуется формиат (соль муравьиной кислоты):[i]

C O + N a O H \overset{t, p}{\to} H C O O N a

Получить угарный газ можно восстановлением углекислого газа или с помощью дегидратации муравьиной кислоты:

C O_{2} + C \overset{t}{\to} 2 C O

H C O O H \overset{H_{2} S O_{4} (конц.)}{\to} C O ↑ + H_{2} O

Углекислый газ ( $C O_{2}$ ) и угольная кислота

Оксид углерода(IV) — типичный кислотный оксид. При растворении в воде образует слабую и неустойчивую угольную кислоту.[i]

На экзамене угольная кислота в продуктах реакций ионного обмена всегда расписывается на воду и углекислый газ, записывать $H_{2} C O_{3}$ как продукт нельзя.

C O_{2} + H_{2} O ⇄ H_{2} C O_{3}

H_{2} C O_{3} \to C O_{2} ↑ + H_{2} O

Как кислотный оксид, $C O_{2}$ реагирует с основными оксидами и щелочами. В реакциях со щелочами важно следить за соотношением реагентов, так как могут образоваться средние или кислые соли:

C O_{2} + C a O \to C a C O_{3}

C O_{2} + 2 N a O H (избыток) \to N a_{2} C O_{3} + H_{2} O

C O_{2} (избыток) + N a O H \to N a H C O_{3}

Углекислый газ способен выступать в роли окислителя в реакциях с очень активными металлами. Например, магний горит в атмосфере углекислого газа:

2 M g + C O_{2} \overset{t}{\to} 2 M g O + C

Оксид кремния ( $S i O_{2}$ )

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.[i]

Со щелочами и основными оксидами он реагирует исключительно при нагревании (сплавлении):

S i O_{2} + C a O \overset{t}{\to} C a S i O_{3}

S i O_{2} + 2 N a O H \overset{t}{\to} N a_{2} S i O_{3} + H_{2} O

Более сильный и менее летучий кислотный оксид $S i O_{2}$ при нагревании способен вытеснять летучий $C O_{2}$ из карбонатов:

S i O_{2} + N a_{2} C O_{3} \overset{t}{\to} N a_{2} S i O_{3} + C O_{2} ↑

Аналогичная реакция протекает при нагревании оксида кремния с сульфитами.

Качественная реакция (травление стекла) — растворение $S i O_{2}$ в плавиковой кислоте. Другие кислоты на него не действуют:

S i O_{2} + 4 H F \to S i F_{4} ↑ + 2 H_{2} O

Сравнение свойств оксидов углерода и кремния:

Характеристика	$C O_{2}$	$S i O_{2}$
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 $C O_{2}$ при сплавлении; реагирует с $H F$

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.[i]

Обе группы солей бурно реагируют с сильными кислотами с выделением углекислого газа:

N a_{2} C O_{3} + 2 H C l \to 2 N a C l + C O_{2} ↑ + H_{2} O

N a H C O_{3} + H C l \to N a C l + C O_{2} ↑ + H_{2} O

Кислые соли можно переводить в средние путём добавления щёлочи, а средние соли можно превращать в кислые через добавление избытка кислотного оксида ( $C O_{2}$ ) и воды:

N a H C O_{3} + N a O H \to N a_{2} C O_{3} + H_{2} O

N a_{2} C O_{3} + C O_{2} + H_{2} O \to 2 N a H C O_{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:[i]

C a C O_{3} \overset{t}{\to} C a O + C O_{2} ↑

2 N a H C O_{3} \overset{t}{\to} N a_{2} C O_{3} + C O_{2} ↑ + H_{2} O

Кремниевая кислота и силикаты

Кремниевая кислота ( $H_{2} S i O_{3}$ ) — это студенистый осадок, нерастворимый в воде. Угольная кислота немного сильнее кремниевой.[i]

Углекислый газ, пропущенный через раствор растворимого силиката, способен вытеснить кремниевую кислоту в осадок. Сильные кислоты действуют аналогично:

N a_{2} S i O_{3} + 2 H C l \to H_{2} S i O_{3} ↓ + 2 N a C l

N a_{2} S i O_{3} + C O_{2} + H_{2} O \to H_{2} S i O_{3} ↓ + N a_{2} C O_{3}

Сама кремниевая кислота нестабильна при нагревании и легко теряет воду:

H_{2} S i O_{3} \overset{t}{\to} S i O_{2} + H_{2} O

Кремниевая кислота растворяется в щелочах:

2 N a O H + H_{2} S i O_{3} \to N a_{2} S i O_{3} + 2 H_{2} O

Большинство силикатов — нерастворимые соли. Растворимы силикаты натрия, калия, рубидия и цезия. Для этих солей характерны реакции ионного обмена с выпадением осадка:

N a_{2} S i O_{3} + C a C l_{2} \to C a S i O_{3} ↓ + 2 N a C l

Характеристика	Угольная кислота ( $H_{2} C O_{3}$ )	Кремниевая кислота ( $H_{2} S i O_{3}$ )
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) $N a_{2} C O_{3} + C O_{2} + H_{2} O \to$
Б) $N a_{2} C O_{3} + H C l \to$
В) $N a_{2} C O_{3} + S i O_{2} \overset{t}{\to}$
Продукты реакции:
1. $N a H C O_{3}$ .
2. $N a + C O$ .
3. $N a_{2} S i O_{3} + C O_{2}$ .
4. $N a + S i + C O$ .
5. $N a C l + C O + H_{2} O$ .
6. $N a C l + C O_{2} + H_{2} O$ [i]

А) Пропускание избытка кислотного оксида $C O_{2}$ через среднюю соль приводит к образованию кислой соли. Образуется гидрокарбонат натрия $N a H C O_{3}$ . Правильный ответ: 1.

Б) К избытку раствора карбоната добавляют кислоту. Более сильная соляная кислота вытесняет слабую угольную: $N a_{2} C O_{3} + 2 H C l \to 2 N a C l + C O_{2} + H_{2} O$ . Правильный ответ: 6.

В) Реакция сплавления среднего карбоната с тугоплавким оксидом $S i O_{2}$ . Кремнезём стабильнее и нелетуч, поэтому вытесняет $C O_{2}$ , занимая его место в соли. Получается силикат натрия $N a_{2} S i O_{3}$ . Правильный ответ: 3.

Ответ: 163.

Задание 2

Установите соответствие между формулой вещества и химическими реагентами, с каждым из которых это вещество может взаимодействовать.
Вещество: $S i O_{2}$
Реагенты:
1. $A l, H N O_{3}, C O$ .
2. $C, K O H, H F$ .
3. $N a O H, H_{2} O, C a O$ .[i]

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 ( $N a O H$ ) и основными оксидами ( $C a O$ ) идёт при сплавлении. Но с холодной или горячей водой $H_{2} O$ песок не реагирует. Вариант отпадает.

Проверим второй набор: углерод способен забирать кислород у $S i O_{2}$ при высоких температурах (восстановление кремния).

$S i O_{2} + C \overset{t}{\to} S i + C O_{2} ↑$

Твёрдая щёлочь $K O H$ вступит в реакцию при сплавлении с образованием силиката.

$2 K O H + S i O_{2} \overset{t}{\to} K_{2} S i O_{3} + H_{2} O$

Плавиковая кислота $H F$ будет травить стекло с выделением фторида кремния $S i F_{4}$ .

$S i O_{2} + 4 H F \to S i F_{4} ↑ + 2 H_{2} O$

Все реагенты подходят. Вариант верный.

Ответ: 2.

Задание 3

Задана следующая схема превращений веществ:
$X \overset{N a O H}{\to} N a_{2} C O_{3} \overset{Y}{\to} C O_{2}$
Определите, какие из указанных веществ являются X и Y:
1. $C O$ .
2. $C a C O_{3}$ .
3. $H C l$ .
4. $C O_{2}$ .[i]

Вещество X взаимодействует со щёлочью и даёт среднюю соль (карбонат натрия). В такую реакцию вступает кислотный оксид $C O_{2}$ . Угарный газ $C O$ со щёлочью образует формиат $H C O O N a$ , поэтому он не подходит. Из предложенных вариантов правильным ответом для вещества X будет $C O_{2}$ . Карбонат кальция в реакцию с щёлочью не вступит, так как это нерастворимая соль. Значит, X — 4.

Рассмотрим второе превращение. Из карбоната натрия нужно получить $C O_{2}$ . Это реакция ионного обмена, для которой потребуется сильная кислота. В предложенном списке это соляная кислота ( $H C l$ ). Следовательно, Y — 3.

Ответ: 43.

Типичные ошибки на ЕГЭ

Существуют классические ловушки, в которых баллы теряются чаще всего.

Взаимодействие оксида кремния с водой
Ошибка: $S i O_{2} + H_{2} O \to H_{2} S i O_{3}$
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: $N a_{2} C O_{3} + 2 H C l \to 2 N a C l + H_{2} C O_{3}$
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: $C O_{2} ↑ + H_{2} O$ . За молекулу $H_{2} C O_{3}$ в химическом уравнении эксперты снимают баллы.

Взаимодействие угарного газа со щелочами
Ошибка: $C O + N a O H \to N a_{2} C O_{3}$ и выделение водорода.
Причина: путают $C O$ с $C O_{2}$ , 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: $C O + N a O H \to H C O O N a$ .

Растворимость кремния в кислотах
Ошибка: $S i + 4 H C l \to S i C l_{4} + 2 H_{2}$
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 $S i - F$ ): $S i + 4 H F \to S i F_{4} ↑ + 2 H_{2} ↑$ .

Заключение

После проработки темы химия элементов 14-й группы воспринимается как чёткая система. Теперь ты умеешь:

определять продукты специфических реакций $C O$ и $S i O_{2}$ ;
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.

Углерод и кремний: химические свойства, соединения и пошаговые примеры с решениями для ЕГЭ

Теоретическая основа: положение в таблице и степени окисления

Физические свойства