Кристаллические решетки на ЕГЭ по химии, как по свойствам вещества понять, из чего собран его кристалл

В демонстрационном варианте ЕГЭ по химии 2026 года в четвертом задании даны фенолят натрия, сероводород, бутадиен-1,3, ацетилен и диметиловый эфир. Из них надо отобрать два вещества молекулярного строения, где встречаются обе разновидности ковалентной связи, и полярная, и неполярная. Правильный ответ 34.

Демоверсию 2027 года ФИПИ выложил 28 августа 2026-го без изменений в структуре и содержании экзамена, и задание 4 так и будет проверять две вещи сразу, связь внутри частицы и то, как частицы уложены в кристалле. В методическом кейсе Минпросвещения по этой теме, вышедшем в начале 2025 года, прямо написано, что на базовом уровне с ней справляется лишь около половины экзаменуемых. Причину авторы видят в том, как читают условие, ученик цепляется за одну характеристику вещества и не замечает вторую.

Пять строчек демоверсии

Фенолят натрия вылетает из списка на первом же слове условия. Ковалентных связей в нем при этом полно, углерод с углеродом в бензольном кольце, углерод с водородом, углерод с кислородом. Но кислород соединен с натрием ионной связью, кристалл этой соли сложен из ионов, а значит, молекулярного строения у нее нет. Кто начинает с поиска связей и проскакивает слово «молекулярного», тот ставит фенолят в ответ первым.

Сероводород молекулярный, связь в нем одна, сера с водородом, и она полярная, а два атома водорода, которые могли бы дать неполярную связь, друг с другом не соединены и висят по отдельности на атоме серы.

С бутадиеном-1,3 связана заводская история. В 1932 году в Ярославле из него начали делать синтетический каучук по способу Сергея Лебедева, получая сам бутадиен из обычного спирта, и первую партию завод выдал 7 июля, когда производств такого масштаба в мире еще не существовало. Четыре атома углерода в молекуле бутадиена идут цепочкой, связи между ними неполярные, а шесть связей углерода с водородом слабо, но полярны.

Ацетилен короче: два углерода с тройной связью между ними и по водороду на концах. Газосварщики знают его по пламени в смеси с кислородом, оно разогревается выше трех тысяч градусов.

Больше всего вопросов вызывает пятая строчка. Диметиловым эфиром заправляют некоторые аэрозольные баллончики, углерода в нем два атома, и связь углерод с углеродом там будто бы обязана найтись. Только атомы углерода в эфире разнесены по разные стороны от кислорода, цепочка идет углерод, кислород, углерод, и в молекуле нет ни одной пары одинаковых атомов, соединенных напрямую, так что каждая из восьми связей полярная. На черновике это видно за несколько секунд. Без рисунка эфир так и просится в ответ третьим, хотя клеточек в бланке две.

Эфир и спирт с одной формулой

У диметилового эфира есть двойник, этиловый спирт, и если выписать атомы столбиком, списки совпадут до последнего, два углерода, шесть водородов, один кислород, разница только в порядке, в котором эти атомы соединены. В спирте кислород стоит на краю цепочки и держит водород, в эфире он зажат между углеродами, и водорода у него нет.

Спирт кипит при 78 градусах, эфир при минус 24, хотя молекулы у них весят одинаково. Больше ста градусов разницы дают водородные связи. Водород, сидящий на кислороде спирта, тянется к кислороду соседней молекулы, и в жидкости молекулы спирта сцеплены заметно крепче. В эфире все водороды сидят на углероде и к соседям почти не притягиваются.

Поэтому эфир при комнатной температуре газ, который под небольшим давлением сжижается почти так же легко, как пропан, и его удобно сжимать в баллончик, а в разных странах его не раз испытывали как топливо для дизельных двигателей грузовиков.

Тигель из кварца Спрус-Пайн

Двадцать шестого сентября 2024 года бельгийская компания «Сибелко» объявила об остановке карьеров в городке Спрус-Пайн в Северной Каролине. Ураган «Хелен» затопил долину, и вместе с ней встала добыча особо чистого кварца, из которого, по оценкам отрасли, делают большую часть мировых тиглей для выращивания кристаллов кремния.

Такого кварца в мире добывают около 30 тысяч тонн в год, и производители кремниевых пластин в те недели пересчитывали собственные запасы, которых, по словам аналитиков, должно было хватить на срок от трех до восьми месяцев.

Кремний плавят при 1414 градусах и медленно тянут из расплава вверх один огромный кристалл, и тигель для этого делают из особо чистого кварцевого стекла. Жар оно выдерживает, размягчаясь только ближе к 1700 градусам, хотя часть кислорода из стенок все же уходит в расплав. Само стекло аморфное, атомы кремния и кислорода в нем сцеплены в сплошную сеть без правильного порядка, а у кристаллического кварца и у кремния решетка атомная, потому что каждый атом кремния связан ковалентно с четырьмя соседями, отдельной молекулы там не выделить. Слиток потом режут на пластины тоньше миллиметра, для микросхем стандартом стал диаметр 300 миллиметров. Тигель обычно служит одну плавку и трескается при остывании.

Оксид углерода(IV) в экзаменационных списках ставят рядом с оксидом кремния из-за похожей формулы, по два кислорода на один атом элемента, но углекислый газ собран из отдельных молекул, и его твердая форма, сухой лед, при обычном давлении переходит в газ при минус 78,5. От кварцевого тигля кусок сухого льда отделяют почти 1800 градусов, ведь в тигле для плавления нужно рвать ковалентные связи, в сухом льду разойтись слабо притянутым молекулам.

Галлий в радиочипе

По данным Геологической службы США, в 2024 году в мире получили около 760 тонн первичного галлия. На Китай пришлось 99 процентов, а Япония, Южная Корея и Россия дали от трех до шести тонн каждая. В августе 2023 года Китай ввел лицензии на вывоз галлия, в декабре 2024-го запретил поставки в США.

Большая часть металла уходит на арсенид и нитрид галлия, из них делают микросхемы, светодиоды и маленькие зарядные устройства. Сам галлий металл с металлической решеткой, хотя плавится при 29,8 градуса, и кусочек, зажатый в ладони, через минуту-другую растекается по ней блестящей каплей, которую легко принять за ртуть.

Нитрид галлия устроен совсем иначе. Это твердое и тугоплавкое вещество, в котором атомы галлия и азота связаны ковалентной сеткой, похожей на алмазную, так что один и тот же элемент в простом веществе живет в металлической решетке, а в соединении с азотом в атомной.

Металлическую решетку на экзамене узнают по самому веществу, это простое вещество металла или сплав. Температура плавления здесь не подсказка, потому что ртуть жидкая уже при комнатной температуре, а вольфрам выдерживает 3422 градуса.

Литий между слоями графита

Отрицательный электрод почти любого литий-ионного аккумулятора в телефоне сделан из графита. При зарядке ионы лития входят между углеродными слоями, на полностью заряженном электроде примерно один атом лития приходится на шесть атомов углерода. При разрядке литий выходит обратно, и так сотни раз.

Грамм графита запасает около 372 миллиампер-часов. Производители давно подмешивают к нему кремний, который теоретически принимает лития примерно вдесятеро больше. Мешает жесткая атомная решетка кремния без просторных промежутков, литий ее распирает, объем частицы при полной зарядке вырастает примерно на 300 процентов, и электрод со временем трескается. Графит на ту же нагрузку отвечает раздвиганием слоев, объем меняется всего на десятую часть.

Место для лития видно по расстояниям: соседние атомы углерода внутри слоя разделяет 0,142 нанометра, а сами слои отстоят друг от друга на 0,335, больше чем вдвое дальше, и держатся только на слабом притяжении, которое небольшой ион лития раздвигает без труда. Ток графит проводит тоже неравномерно, вдоль слоев в тысячи раз лучше, чем поперек: подвижные электроны ходят только внутри своего листа. Отсюда металлический отлив, за который графит часто записывают в металлы, хотя решетка у него атомная, того же типа, что у алмаза.

Ионы без металла

Фенолят натрия узнать как ионное вещество легко, в формуле есть натрий. Получают его, растворяя фенол в растворе гидроксида натрия. Сам фенол молекулярный, его бесцветные кристаллы плавятся около 41 градуса и розовеют, постояв на воздухе, но стоит водороду при кислороде смениться натрием, как получается соль с ионной решеткой.

Хуже с солями без металла. Пекарский аммоний, он же гидрокарбонат аммония, кладут в тесто для печенья, и уже около 60 градусов он разлагается на аммиак, углекислый газ и воду, поэтому духовка в первые минуты пахнет нашатырем. Ионный кристалл, распадающийся при такой скромной температуре, выглядит странно, и все же он ионный, как хлорид, нитрат или сульфат аммония. Положительный ион во всех этих солях один, аммоний: азот, четыре водорода и заряд плюс один.

Внутри иона аммония азот держит все четыре водорода ковалентно. Одна из этих связей возникла по-особому, азот отдал в нее свою неподеленную пару электронов, ион водорода принял пару на пустую орбиталь. После образования все четыре связи одинаковы по длине и прочности. В задании про донорно-акцепторный механизм хлорид аммония попадает в ответ из-за четвертой связи, которой у молекулы аммиака еще не было. Поваренную соль в такие списки ставят для контраста, ковалентных связей в ней нет.

Что спрашивают на ЕГЭ

В основной день 2025 года химию сдавали около 85 тысяч выпускников, и минимального балла, по словам главы Рособрнадзора Анзора Музаева, не набрали 17 процентов, то есть примерно каждый шестой из тех, кто пришел на экзамен. Средний балл по предварительным итогам ЕГЭ-2026 составил 58,69, почти как годом раньше. Задание 4 приносит в первой части ровно один первичный балл, и засчитывают его, только если обе цифры ответа совпали с эталоном.

Условия меняются от варианта к варианту: спрашивают про ионную связь, про ковалентную полярную или неполярную, про водородные связи между молекулами, про молекулярное или немолекулярное строение. В демоверсии 2026 года два признака совмещены в одном условии.

С перечнем удобно работать в два прохода. Сначала каждое вещество относят к одной из четырех групп по тому, что лежит в кристалле: ионы, самостоятельные молекулы, связанные в сетку атомы или металл. Потом внутри частицы ищут нужные связи, и для органики почти всегда стоит нарисовать молекулу, как с диметиловым эфиром. Из года в год в перечни возвращаются вещества с атомной решеткой, алмаз, графит, кремний и его оксид, бор, карбид кремния. Возвращаются и соли аммония, ионные без всякого металла. Для водородных связей хватает пары из раздела про эфир. Водород на кислороде, азоте или фторе дает такие связи между молекулами, водород на углероде не дает.

Решетка	Что лежит в узлах	Что их держит	Типичные свойства	Частые примеры на ЕГЭ
Ионная	Положительные и отрицательные ионы	Притяжение противоположных зарядов	Твердые при комнатной температуре, расплавы и растворы проводят ток; температура плавления бывает и умеренной, как у нитратов	NaCl, KF, K2SO4, NaOH, соли аммония (NH4Cl, NH4NO3, NH4HCO3), фенолят натрия
Молекулярная	Отдельные молекулы	Слабое межмолекулярное притяжение, у части веществ водородные связи	Низкие температуры плавления и кипения, многие вещества при комнатной температуре газы или жидкости	CO2 (сухой лед), H2O, H2S, NH3, I2, белый фосфор, сахароза, спирты, органические газы
Атомная	Атомы, связанные в сплошную сетку	Ковалентные связи по всему кристаллу	Очень высокие температуры плавления, твердость, нерастворимость; графит проводит ток вдоль слоев	Алмаз, графит, Si, SiO2 (кварц), B, SiC, красный фосфор
Металлическая	Катионы и атомы металла	Общие подвижные электроны	Блеск, электро- и теплопроводность, пластичность; температура плавления любая, от ртути (−38,8 °C) до вольфрама (3422 °C)	Простые вещества металлы и сплавы: Na, Fe, Cu, Ga, Hg, W

Температуры: ртуть застывает при −38,8 °C, галлий плавится при 29,8 °C, вольфрам при 3422 °C, кремний при 1414 °C; сухой лед при обычном давлении переходит в газ при −78,5 °C.

Куда двигаться дальше

Частые вопросы про кристаллические решетки на ЕГЭ