Углерод и кремний на ЕГЭ по химии, что нужно знать о двух соседях по группе

Алмаз под зажигательным стеклом

Большое зажигательное стекло собирало солнце в точку, где плавился металл. В 1770-х годах Антуан Лавуазье поставил под такой фокус запаянный сосуд с алмазом. Камень потемнел, уменьшился и исчез. Газ, оставшийся в сосуде, пропустили через известковую воду, и она помутнела.

Ровно так же мутила известковую воду углекислота от горящего угля. Лавуазье заметил сходство, но доказывать не стал. Через два десятка лет Смитсон Теннант сжег алмаз в золотом сосуде и взвесил, сколько вышло газа. Из алмаза и из древесного угля одной массы газа получилось поровну. Тот же Теннант позже нашел в платиновой руде два новых металла, осмий и иридий. Бриллиант и уголь для печки. Один элемент, разная укладка атомов.

С известковой водой в этом опыте связана вещь, которую в школе обычно проскакивают. Если газ пропускать и дальше, муть уходит. Белый карбонат кальция превращается в гидрокарбонат, а он растворим. В известняковых пещерах эта реакция идет веками и в обе стороны. Вода с растворенным газом точит камень, под сводом газ улетает, и на потолке нарастает сосулька сталактита. Растет она медленно, часто не больше сантиметра за столетие.

У алмаза, графита и угля с тех пор появились родственники. Карбин, цепочки атомов. Фуллерены, полые шары из шестидесяти атомов, найденные в 1985 году. Графен, пленка в один атом, которую Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2004 году сняли с графита обычной липкой лентой и через шесть лет получили за нее Нобелевскую премию.

Озеро, которое выдохнуло

Вечером 21 августа 1986 года в Камеруне озеро Ньос выбросило из глубины облако газа. К утру в окрестных деревнях погибли 1746 человек, весь скот, птицы и насекомые. До деревни Субум, в десяти с лишним километрах, облако дошло по долинам. Газ почти целиком, на 99,6 процента, был углекислым.

Вулканический газ годами поднимался со дна и растворялся в придонной воде. Давление держало его там, как держит газировку крышка бутылки. Что-то нарушило слои, вода пошла вверх, давление упало, и газ вышел разом. Поднятое со дна железо окрасило озеро в ржаво-красный цвет, таким его и увидели первые спасатели.

Дальше сработали два свойства. Оба из учебника девятого класса. Углекислый газ тяжелее воздуха примерно в полтора раза, поэтому облако не рассеялось и стекло вниз по склонам, как вода. И дышать им нельзя. В низинах, куда он натек, людям просто не хватило кислорода.

В малом масштабе то же самое веками показывали туристам под Неаполем. В Собачьей пещере у Поццуоли углекислый газ из трещин стоит у пола слоем по колено. Человек проходит внутрь и ничего не замечает. Собака, у которой нос у самой земли, через минуту валится с ног, и ее выносят на воздух. Проводники так зарабатывали.

Охлажденный до минус 78 градусов, углекислый газ становится сухим льдом и потом сублимирует, минуя жидкость. Им обкладывают мороженое в уличных тележках. Растворяясь в воде, он дает угольную кислоту, слабую и неустойчивую. Она живет в растворе, но выделить ее в чистом виде нельзя, при попытке она распадается на газ и воду. Позже на Ньосе поставили трубы, по которым газ со дна спокойно стравливают на поверхность, первую в 2001 году.

С магнием углекислый газ ведет себя иначе, чем со спичкой. Спичка в нем гаснет, горящая магниевая лента горит дальше, отнимая у газа кислород. На стенках остаются белый оксид магния и черная сажа.

Печь Ачесона

В 1891 году американец Эдвард Ачесон, бывший ассистент Эдисона, насыпал в железную чашу глину с молотым коксом, вставил в смесь угольный электрод и пустил ток. Он надеялся получить искусственный алмаз. На конце электрода остались мелкие блестящие кристаллы. Ими можно было царапать стекло почти как алмазом.

Ачесон решил, что получил соединение углерода с корундом. Отсюда и название, карборунд. Корунда там не было. Это был карбид кремния. Кремний пришел из глины, углерод из кокса. Абразивные круги из карборунда делают до сих пор. Завод Ачесона через несколько лет переехал к Ниагарскому водопаду, поближе к дешевому электричеству. В природе этот карбид почти не встречается. Французский химик Анри Муассан нашел крошечные кристаллы в осколках метеорита из аризонского Каньона Дьябло, и природный карбид кремния с тех пор называют муассанитом. Сейчас его выращивают и вставляют в кольца вместо бриллиантов.

В электропечи идет та же реакция, которой получают технический кремний. Кокс забирает кислород у кварцевого песка, уходит угарным газом, а кремний остается. Если кокса положить больше, чем нужно, он соединяется и с кремнием, и выходит тот самый карборунд. В лаборатории вместо кокса берут магний. С избытком магния выйдет силицид. Лишнее здесь не пропадает. Облить силицид соляной кислотой, и выделится силан, водородное соединение кремния, которое на воздухе загорается само.

Угарный газ из печи Ачесона тоже годится в дело. Он отнимает кислород у оксида железа, и на этом стоит доменный процесс. Солей угарный газ не образует, с водой и щелочами обычным путем не реагирует. Зато в крови он садится на гемоглобин прочнее кислорода. Отсюда старое правило не закрывать печную вьюшку, пока в топке тлеют угли.

Бурый порошок Берцелиуса

Свободного кремния в природе нет, хотя в земной коре его больше, чем любого другого элемента, кроме кислорода. Весь он связан в кварц, полевые шпаты, глины. Йенс Якоб Берцелиус в начале 1820-х годов нагрел калий с солью, в которой кремний сидел вместе с фтором, и получил бурый порошок. Серые блестящие пластины, из которых сегодня режут микросхемы, появились гораздо позже.

Их выращивают способом, который открыли случайно. В 1916 году польский химик Ян Чохральский, по известной истории, обмакнул перо не в чернильницу, а в тигель с расплавленным оловом. Вытянул, и за пером потянулась тонкая металлическая нить, один сплошной кристалл. Сейчас так же медленно тянут из расплава кремниевые слитки в человеческий рост.

Кремний выглядит инертным, как песок, и на экзамене этим пользуются. Кислоты его почти не трогают. Растворить кремний удается разве что в горячей смеси двух кислот, азотной с плавиковой. А вот раствор щелочи растворяет кремний охотно. Над пробиркой поднимаются пузыри водорода, в растворе остается силикат. Уголь в той же щелочи лежит без всяких перемен. Сколько ни держи.

Углерод зато поддается кислотам-окислителям. Горячая концентрированная серная кислота превращает уголь в углекислый газ и сама уходит сернистым газом. С азотной то же самое, только над пробиркой поднимается рыжий дым. Для электронного баланса пара удобная. Коэффициенты сходятся быстро.

Жидкое стекло на столе

Силикатный клей в прозрачном флаконе и есть раствор силиката натрия, его называют жидким стеклом. Капля соляной кислоты превращает его в студень. Выпадает кремниевая кислота, и ее хватает выбить даже угольной, настолько она слабая. У флакона, забытого открытым, горлышко со временем может затянуть мутной корочкой, так действует углекислый газ воздуха.

Студень при прокаливании теряет воду. В тигле остается белый порошок, диоксид кремния, того же состава, что и кварц. С водой он уже не реагирует никогда. Щелочь берет его только при сплавлении или горячим концентрированным раствором, кислоты из всех одна плавиковая, ею матируют стекло.

Из кварцевого песка, соды и известняка варят оконное стекло. При плавке из обоих карбонатов уходит углекислый газ, остаются силикаты натрия и кальция. Выходит так, что в расплаве кремниевая сторона выгоняет угольную, хотя во флаконе с клеем все наоборот. Решает летучесть. Газ из расплава улетает, нелетучий оксид кремния остается и забирает металл.

Что из этого проверяют на ЕГЭ

В проекте демоверсии 2027 года химия не изменилась. Тридцать четыре задания, из них шесть с развернутым ответом, 56 первичных баллов, 3 часа 30 минут.

Все истории выше расходятся по номерам. Известковая вода, карбонаты и гидрокарбонаты, кремний со щелочью, силикаты с кислотами проверяются в заданиях с 6 по 9 на свойства веществ и качественные реакции. Углерод с концентрированными кислотами идет в задание 29 на окислительно-восстановительные реакции. Ионные уравнения с карбонатами стоят в задании 30, и там гидрокарбонат-ион пишут целиком, а нерастворимый мел формулой. Задание 31 дает описание опыта в четыре действия и просит четыре уравнения, по баллу за каждое. Типичная цепочка там почти повторяет эту статью. Кремний растворяют в щелочи, через раствор пропускают избыток углекислого газа, осадок прокаливают, остаток нагревают с магнием. На слове «избыток» легко потерять балл, при нем рядом с кремниевой кислотой в растворе остается гидрокарбонат натрия.

Порог по химии в 2026 году был 36 тестовых баллов. Вузы Минобрнауки принимали от 40 по приказу № 881, подписанному 14 ноября 2025 года. Приказа на 2027 год пока нет.

Куда двигаться дальше

Самый быстрый способ проверить тему, взять задание 31 из любого варианта прошлых лет, найти в условии слова, которые меняют продукт, и подчеркнуть их. Избыток, раствор, сплавление, прокаливание, концентрированная. Уравнения после этого пишутся заметно спокойнее. Если ни одного такого слова в условии нет, реакция, скорее всего, самая обычная, из учебника.

Галогены, другие неметаллы и их соединения разобраны в соседнем материале по неорганике на classicum.ru. Пройти свой пробник вместе с методистом можно на бесплатной консультации, а дальше химией занимаются онлайн, в маленьких группах, по кодификатору нужного года.

Частые вопросы про углерод и кремний на экзамене