Углерод и кремний

Неметаллы · Тема 23 / 35

Углерод и кремний

Этот урок проведём за один день на даче на Апшероне: вечером мангал и угарный газ, утром бабушкин гогал на соде, днём разбитое окно и стекольная мастерская. За тремя событиями стоят два элемента IVA-группы — углерод и кремний. Мы увидим в анимациях их аллотропию, оксиды, карбонаты и силикаты, научимся расчётам и решим задания ГЭЦ.

≈ 50 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 6материал 9–11 классов

После урока ты сможешь

• объяснять аллотропные модификации углерода через строение;
• знать получение, свойства и опасность CO и CO₂;
• определять по мольному отношению, какая соль образуется из CO₂ и щёлочи;
• знать карбонаты, гидрокарбонаты и их превращения, обнаружение CO₂ и иона CO₃²⁻;
• объяснять свойства кремния, SiO₂, силикатов, производство стекла и цемента.

Перед началом вспомни

• Электронное строение атома, гибридизация, степень окисления.
• Классификация оксидов, кислот, солей; реакции ионного обмена.
• Количество вещества: n = m/M, V = n · 22,4 л/моль.

Содержание

1. ВведениеСитуация: мангал и угарный газистория и предположение
2. Глава 1Углерод: аллотропия и химические свойстваалмаз, графит, уголь; углерод-восстановитель
3. Глава 2Оксиды углерода: CO и CO₂угарный газ, углекислый газ, соли со щёлочью
4. Глава 3Угольная кислота и карбонаты. Обнаружение CO₂ и иона CO₃²⁻H₂CO₃, сода, известняк; вскипание и известковая вода
5. Глава 4Кремний и диоксид кремнияполупроводник, реакция со щёлочью, кварц
6. Глава 5Силикаты. Стекло, керамика, цементсиликаты, виды стекла, керамика и цемент
7. ПрактикумТренировка на экзаменационных заданияхзаданий ГЭЦ: 1, с ответом и официальным пояснением
8. ИтогиЗапомникраткий итог и типичные ошибки
9. ИтогиСамостоятельная работазаданий: 6, от простых к сложным

Введение

Ситуация: мангал и угарный газ

История

Августовский вечер. Ученик 9 класса с семьёй на даче на Апшероне. Папа развёл во дворе мангал: тлеют древесные угли, на шампурах шипит шашлык. Когда становится прохладно, ученик хочет занести мангал на застеклённую веранду, чтобы погреться. Бабушка сразу запрещает: «Никогда не заноси мангал в закрытое помещение — угоришь!»

«Угар» — это оксид углерода(II), CO. Уголь состоит в основном из углерода: при избытке воздуха он сгорает до углекислого газа (CO₂), а при недостатке образуется бесцветный, без запаха и ядовитый CO. Ученику интересно: если в мангале сгорело 1,2 кг угля, сколько газа ушло в воздух?

Угли тлеют, поднимается дым; в круге атом углерода с поверхности угля соединяется с O₂ и улетает молекулой CO₂.Сначала предположи

Будем считать уголь чистым углеродом. Как ты думаешь, сколько м³ (н. у.) CO₂ выделится при полном сгорании 1,2 кг угля? Ответ рассчитаем во 2-й главе.

Углерод и кремний находятся в IVA-группе периодической системы. Углерод — элемент жизни: все органические вещества, уголь, нефть, природный газ, известняк — его соединения. Кремний — основа неживой природы: песок, глина, камни, стекло, цемент состоят из его соединений. В этом уроке проследим за этими двумя «родственниками» по событиям одного дня на даче.

Глава 1

Углерод: аллотропия и химические свойства

Углерод — первый элемент IVA-группы: ₆C 1s² 2s² 2p². На внешнем слое 4 электрона. В возбуждённом состоянии (2s¹ 2p³) углерод четырьмя неспаренными электронами образует четыре ковалентные связи — в органических соединениях он всегда четырёхвалентен. Степени окисления: C−4 (CH₄, Al₄C₃), C0 (простое вещество), C+2 (CO), C+4 (CO₂, карбонаты).

Аллотропия углерода

Аллотропия — способность элемента образовывать несколько простых веществ. Аллотропные модификации углерода: алмаз (каждый атом в sp³-гибридизации тетраэдрически связан с четырьмя соседями — самое твёрдое природное вещество, не проводит ток), графит (sp², слои из шестиугольных колец; между слоями слабые силы — мягкий, оставляет след на бумаге, проводит ток), карбин (sp, линейные цепи) и фуллерен C₆₀ (молекулы-шары).

Анимация · алмаз и графитОдни и те же атомы углерода, разное расположение: в алмазе прочная пространственная сетка, в графите — слои, скользящие друг по другу. Различие свойств вытекает из различия строения.

Древесный уголь, сажа, кокс называются аморфным углеродом — они состоят из очень мелких кристалликов графита. Поры древесного угля создают огромную внутреннюю поверхность (сотни м² на 1 г): он удерживает на поверхности газы и окрашенные вещества — адсорбирует их. Активированный уголь применяют в противогазах, для очистки воды и как лекарство при отравлениях.

При обычных условиях углерод пассивен, при нагревании активируется. Он в основном восстановитель: C + O₂ → CO₂; восстанавливает металлы из оксидов: C + 2CuO t→ 2Cu + CO₂↑, ZnO + C t→ Zn + CO↑; при пропускании водяного пара через раскалённый уголь получают «водяной газ»: C + H₂O t→ CO + H₂. С активными металлами и водородом углерод — окислитель: C + 2H₂ t, кат.→ CH₄, 4Al + 3C t→ Al₄C₃, CaO + 3C t→ CaC₂ + CO. Карбиды металлов разлагаются водой: Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄↑, CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂↑.

Пример 1

16 г оксида меди(II) полностью восстановлены углём. Сколько граммов меди получится?

1. Уравнение: 2CuO + C t→ 2Cu + CO₂↑; углерод C0 → C+4 — восстановитель.
2. n(CuO) = 16 / 80 = 0,2 моль; по уравнению n(Cu) = n(CuO) = 0,2 моль.Почему так?

   Из каждой «единицы» CuO получается один атом Cu: коэффициенты 2 и 2.

3. m(Cu) = 0,2 · 64 = 12,8 г.
4. Ответ: 12,8 г меди.

Пример 2

Найдите степень окисления углерода в карбиде алюминия (Al₄C₃).

1. 4·(+3) + 3x = 0, 3x = −12, x = −4.Почему так?

   Алюминий бывает только +3; углерод как более электроотрицательный получает отрицательную степень. С водой Al₄C₃ даёт метан (C⁻⁴) — степень не меняется.

2. Ответ: C−4 — низшая степень окисления углерода.

Проверь себя

Какова степень окисления углерода в карбиде кальция (CaC₂)? (Запиши со знаком.)

+2 + 2x = 0.

Глава 2

Оксиды углерода: CO и CO₂

Вернёмся к мангалу. Атомы углерода на поверхности угля соединяются с кислородом воздуха. Результат зависит от количества кислорода.

Анимация · много и мало воздухаПри избытке кислорода каждый атом углерода с одной молекулой O₂ даёт CO₂. При недостатке одна O₂ «делится» на два атома углерода — образуются две молекулы CO. Синеватое пламя над углями — это горение CO: 2CO + O₂ → 2CO₂.Угарный газ

Оксид углерода(II) CO (угарный газ) — бесцветный, без запаха, малорастворимый в воде, очень ядовитый газ: в крови связывается с гемоглобином прочнее кислорода. Несолеобразующий оксид — с водой, кислотами и щелочами солей не даёт. Сильный восстановитель: Fe₂O₃ + 3CO t→ 2Fe + 3CO₂ (доменная печь), CuO + CO t→ Cu + CO₂; горит синим пламенем. Получение: CO₂ + C t→ 2CO; в лаборатории HCOOH H₂SO₄(конц.), t→ CO↑ + H₂O.

Углекислый газ

Оксид углерода(IV) CO₂ (углекислый газ) — бесцветный газ тяжелее воздуха (D(возд.) = 44 / 29 ≈ 1,52), не поддерживает горения (огнетушители), при −78 °C — твёрдый «сухой лёд». Молекула линейная: O=C=O. Кислотный оксид: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃, CO₂ + CaO → CaCO₃; со щёлочью в зависимости от соотношения даёт две соли: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O (избыток щёлочи), CO₂ + NaOH → NaHCO₃ (избыток CO₂). Горящий магний горит и в CO₂: 2Mg + CO₂ → 2MgO + C. В лаборатории: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O; в промышленности — обжигом известняка: CaCO₃ t→ CaO + CO₂↑.

История

Вопрос про мангал. n(C) = 1200 / 12 = 100 моль. При полном сгорании C + O₂ → CO₂: n(CO₂) = 100 моль, V = 100 · 22,4 = 2240 л = 2,24 м³. Для этого нужно 2,24 м³ кислорода, т. е. около 2,24 / 0,21 ≈ 10,7 м³ воздуха. На закрытой веранде кислород быстро убывает, и горение идёт по пути 2C + O₂ → 2CO — те же 100 моль углерода могут дать 2,24 м³ ядовитого CO. Бабушка совершенно права.

Какая соль образуется при пропускании CO₂ через раствор щёлочи, зависит от мольного отношения: при n(CO₂) : n(NaOH) ≤ 1 : 2 — средняя соль (Na₂CO₃), при ≥ 1 : 1 — кислая (NaHCO₃), в промежутке — обе. Проверь это в лаборатории.

Лаборатория · CO₂ в растворе щёлочиАнимация · пропускаем углекислый газобъём CO₂ (н. у.)44.8 лn(CO₂) = 0 моль; m(Na₂CO₃) = 0 г; m(NaHCO₃) = 0 гСначала образуется Na₂CO₃; когда CO₂ больше 2 моль, идёт реакция Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃; при 4 моль CO₂ остаётся только NaHCO₃.Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026

Определите, какая соль и сколько граммов её получено, если газ, полученный при полном разложении 400 г карбоната кальция, полностью прореагировал с 400 г 40%-ного раствора NaOH. Mᵣ(CaCO₃)=100, Mᵣ(NaOH)=40, Mᵣ(Na₂CO₃)=106, Mᵣ(NaHCO₃)=84

Рисунок меняется вместе с шагами.A) 212 г Na₂CO₃B) 84 г NaHCO₃C) 106 г Na₂CO₃D) 336 г NaHCO₃E) 42 г NaHCO₃

1. Количество газа: CaCO₃ t→ CaO + CO₂↑; n(CaCO₃) = 400 / 100 = 4 моль, значит n(CO₂) = 4 моль.
2. Количество щёлочи: m(NaOH) = 400 · 0,4 = 160 г, n(NaOH) = 160 / 40 = 4 моль. Внимание: в пояснении ГЭЦ здесь опечатки «0, 4» и «v(NaOH)» (количество вещества обозначают ν) — в цитате они опущены.
3. Отношение n(CO₂) : n(NaOH) = 4 : 4 = 1 : 1 — образуется кислая соль: NaOH + CO₂ → NaHCO₃.Почему так?

   При 1 : 2 получилось бы 2 моль Na₂CO₃, т. е. 212 г (вариант A).

4. n(NaHCO₃) = 4 моль, m = 4 · 84 = 336 г.
5. Ответ: 336 г NaHCO₃ (вариант D).

Официальное пояснение ГЭЦ (12.07.2026)

400 г ------ y моль CaCO₃ → CaO + CO₂ y = 4 моль 100 г ------ 1 моль m(NaOH) = 400 · … = 160 г … = 160 : 40 = 4 моль 4 моль 4 моль 336 г NaOH + CO₂ → NaHCO₃ 1 моль 1 моль 84 гИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, IV группа специальностей (PDF)

Проверь себя

Через раствор, содержащий 8 г NaOH, пропустили 4,48 л (н. у.) CO₂. Сколько граммов NaHCO₃ получится?

n(CO₂) = 0,2 моль, n(NaOH) = 0,2 моль — отношение 1 : 1; M(NaHCO₃) = 84 г/моль.

Глава 3

Угольная кислота и карбонаты. Обнаружение CO₂ и иона CO₃²⁻

История

Утром бабушка печёт гогал. В тесто она добавляет чайную ложку питьевой соды, но сначала «гасит» её в ложке несколькими каплями уксуса — в ложке поднимается пена. В духовке тесто заметно поднимается, на разрезе видны поры.

Ученик спрашивает: зачем гасить соду? Оказывается, тесто поднимает углекислый газ. В чайной ложке примерно 8,4 г NaHCO₃. Сколько литров CO₂ выделит сода, если её только нагреть в духовке, и сколько — если «погасить» уксусом?

Тесто поднимается; в круге растут пузырьки CO₂ внутри теста; работает духовка.

При растворении CO₂ в воде образуется слабая и неустойчивая угольная кислота: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻. Она существует только в растворе и двухосновна, поэтому даёт два ряда солей: карбонаты (Na₂CO₃ — сода, K₂CO₃ — поташ, CaCO₃ — мел, мрамор, известняк) и гидрокарбонаты (NaHCO₃ — питьевая сода, Ca(HCO₃)₂). Из карбонатов растворимы только карбонаты щелочных металлов и аммония; Ca(HCO₃)₂, в отличие от CaCO₃, растворим.

Превращения карбонатов

При нагревании: CaCO₃ t→ CaO + CO₂↑; 2NaHCO₃ t→ Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O; Ca(HCO₃)₂ t→ CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O. Карбонаты щелочных металлов (Na₂CO₃, K₂CO₃) не разлагаются. В природе: CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇄ Ca(HCO₃)₂ — подземные воды растворяют известняк (карстовые пещеры), делают воду временно жёсткой; при испарении CaCO₃ снова осаждается (сталактиты).

Как распознать карбонат-ион? Прильём к нему сильную кислоту: начинается вскипание. Проследим причину на уровне ионов.

Анимация · карбонат «вскипает» с кислотойДва иона H⁺ присоединяются к одному кислороду карбонат-иона, и он уходит молекулой воды; оставшиеся C и два O становятся линейной молекулой CO₂ и выходят пузырьком газа. Ионы Na⁺ (или K⁺) и Cl⁻ в реакции не участвуют.Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 13.07.2025

Определите вещества X и Y.

В вариантах первым указан X, вторым — Y.

Рисунок меняется вместе с шагами.A) NaCl | CaCO₃B) KNO₃ | Na₂CO₃C) HCl | K₂CO₃D) CaCO₃ | K₂CO₃E) K₂CO₃ | CaCO₃

1. Газ — CO₂, значит, Y — карбонат, а X — кислота, которая его разлагает. Y находится «в водном растворе», т. е. это растворимый карбонат.
2. A и E: Y = CaCO₃ — нерастворим в воде, раствора не даёт. D: X = CaCO₃ — не кислота. B: KNO₃ — соль, с Na₂CO₃ газа не даёт.Почему так?

   Реакция обмена идёт до конца, если образуется газ, осадок или вода; в паре KNO₃ + Na₂CO₃ ничего из этого нет.

3. C: K₂CO₃ + 2HCl → 2KCl + CO₂↑ + H₂O; в ионном виде CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O. Внимание: в пояснении ГЭЦ уравнение не уравнено («→ KCl + …»); правильно — 2KCl.
4. Ответ: X — HCl, Y — K₂CO₃ (вариант C).

Официальное пояснение ГЭЦ (13.07.2025)

Согласно условию, только в реакции K₂CO₃+2HCl → … выделяется CO₂.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, I группа специальностей (PDF)

Как доказать, что выделившийся газ — CO₂? Пропустим его через прозрачную известковую воду — раствор Ca(OH)₂.

Анимация · известковая вода: обнаружение CO₂Пока CO₂ мало, выпадает белый осадок CaCO₃ — раствор мутнеет. При избытке CO₂ (мольное отношение больше 1 : 1) осадок переходит в растворимый Ca(HCO₃)₂, и муть исчезает.История

Вопрос про гогал. n(NaHCO₃) = 8,4 / 84 = 0,1 моль. При одном нагревании 2NaHCO₃ t→ Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O: из 0,1 моль соды выделяется 0,05 моль, т. е. 1,12 л CO₂, а в тесте остаётся щелочной Na₂CO₃ — вкус горчит, цвет желтеет. С уксусом NaHCO₃ + CH₃COOH → CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O: каждый моль соды даёт 1 моль CO₂ — 2,24 л, вдвое больше. Поэтому соду используют с кислотой (кефир, уксус, лимонный сок): газа больше, вкус чище. А пена в ложке — то самое «вскипание», которое мы видели.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 13.07.2025

При полном разложении CaCO₃, содержащегося в известняке с 25% устойчивых к термическому разложению примесей, получено 134 грамма твёрдого остатка. Вычислите объём (литр, н. у.) углекислого газа, выделившегося при разложении. Aᵣ(Ca)=40, Aᵣ(C)=12, Aᵣ(O)=16

Рисунок меняется вместе с шагами.

1. Примем массу известняка за x г: тогда CaCO₃ — 0,75x г, неразлагающаяся примесь — 0,25x г.
2. CaCO₃ t→ CaO + CO₂↑: из 100 г CaCO₃ — 56 г CaO; из 0,75x г — 0,75x · 56 / 100 = 0,42x г CaO.Почему так?

   В твёрдый остаток входят и CaO, и примесь — CO₂ уходит в виде газа.

3. 0,25x + 0,42x = 134, 0,67x = 134, x = 200 г; CaCO₃: 0,75 · 200 = 150 г.
4. n(CO₂) = n(CaCO₃) = 150 / 100 = 1,5 моль, V = 1,5 · 22,4 = 33,6 л. Проверка по сохранению массы: 200 − 134 = 66 г = 1,5 · 44 ✓.
5. Ответ: 33,6 л.

Официальное пояснение ГЭЦ (13.07.2025)

Примем массу известняка за x граммов и проведём расчёты CaCO₃ t→ CaO + CO₂ a= 0,42x г CaO 0,25x + 0,42x =134 x=200 CaCO₃ t→ CaO + CO₂ b =33,6Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, IV группа специальностей (PDF)

Проверь себя

10 г CaCO₃ полностью прореагировали с соляной кислотой. Сколько литров (н. у.) CO₂ выделится?

n(CaCO₃) = 10 / 100 = 0,1 моль = n(CO₂).

Глава 4

Кремний и диоксид кремния

Кремний стоит под углеродом, в 3-м периоде: ₁₄Si 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p². Это второй после кислорода по распространённости элемент земной коры (≈ 27 % по массе), но в природе он встречается только в соединениях — в виде диоксида кремния и силикатов. Кристаллический кремний — твёрдое тёмно-серое вещество с металлическим блеском и алмазоподобной структурой; это полупроводник — из него делают микросхемы и солнечные панели. Радиус его атома больше, чем у углерода, поэтому неметаллические свойства кремния слабее.

Получение и свойства кремния

Получение: SiO₂ + 2Mg t→ Si + 2MgO (лаборатория), SiO₂ + 2C t→ Si + 2CO↑ (промышленность, электропечь). Свойства: Si + O₂ t→ SiO₂, Si + 2Cl₂ t→ SiCl₄, Si + C t→ SiC (карборунд, очень твёрдый); с металлами — силициды: 2Mg + Si t→ Mg₂Si; из силицидов кислотой — силан: Mg₂Si + 4HCl → 2MgCl₂ + SiH₄↑ — силан самовоспламеняется на воздухе: SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2H₂O. С кислотами (кроме HF) кремний не реагирует, а в растворе щёлочи растворяется с выделением водорода: Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑.

Анимация · кремний в щёлочи, затем кислотаПорошок кремния растворяется в растворе щёлочи с выделением водорода, образуется силикат натрия. При добавлении соляной кислоты нерастворимая кремниевая кислота выпадает белым гелем.Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 13.07.2025

Si +X+H₂O→–H₂ Y +HCl→–NaCl Z. Определите вещество Z.

Рисунок меняется вместе с шагами.A) SiO₂B) H₂SiO₃C) SiH₄D) H₂OE) SiO

1. X, который «растворяет» кремний в присутствии воды с выделением водорода, — щёлочь: X = NaOH (на второй стадии выделяется NaCl, значит металл — натрий).Почему так?

   С кислотами кремний не реагирует; со щёлочью выделяет H₂ — этим он отличается от углерода.

2. Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑: Y = Na₂SiO₃ (силикат натрия, «жидкое стекло»).
3. Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓: Z = H₂SiO₃.Почему так?

   Кремниевая кислота слабая и нерастворимая: сильная кислота вытесняет её из соли.

4. Ответ: H₂SiO₃ (вариант B).

Официальное пояснение ГЭЦ (13.07.2025)

Из схемы видно, что X — NaOH, Y — Na₂SiO₃. Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃ (Z)Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, IV группа специальностей (PDF)

Формулы высших оксидов углерода и кремния похожи — CO₂ и SiO₂, но свойства совершенно разные: один — газ, другой — песок и кварц. Причина в строении.

Анимация · CO₂ и SiO₂: молекулы и атомная решёткаCO₂ состоит из отдельных молекул со слабыми силами между ними — это газ. В SiO₂ отдельных молекул нет: каждый атом кремния связан с четырьмя кислородами, каждый кислород — с двумя атомами кремния; это гигантская атомная решётка, очень твёрдое и тугоплавкое вещество.Диоксид кремния и кремниевая кислота

Диоксид кремния SiO₂ (кварц, песок, кремень, аметист) — кислотный оксид, но с водой не реагирует. При сплавлении со щелочами, основными оксидами и карбонатами даёт силикаты: SiO₂ + 2NaOH t→ Na₂SiO₃ + H₂O, SiO₂ + CaO t→ CaSiO₃, SiO₂ + Na₂CO₃ t→ Na₂SiO₃ + CO₂↑. Из кислот реагирует только с HF: SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O — так травят узоры на стекле. Кремниевая кислота H₂SiO₃ слабее даже угольной: Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓; при нагревании H₂SiO₃ t→ SiO₂ + H₂O — высушенный гель (силикагель) поглощает влагу.

Пример 3

В лаборатории 6 г SiO₂ полностью восстановили магнием. Сколько граммов кремния получится и сколько граммов магния израсходуется?

1. SiO₂ + 2Mg t→ Si + 2MgO; n(SiO₂) = 6 / 60 = 0,1 моль.
2. n(Si) = 0,1 моль, m(Si) = 0,1 · 28 = 2,8 г; n(Mg) = 0,2 моль, m(Mg) = 0,2 · 24 = 4,8 г.Почему так?

   Si⁺⁴ принимает 4 электрона, каждый Mg отдаёт 2 — поэтому магния нужно вдвое больше.

3. Ответ: 2,8 г Si; 4,8 г Mg.

Проверь себя

2,8 г кремния полностью растворились в растворе щёлочи. Сколько литров (н. у.) водорода выделится?

Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂: 0,1 моль Si → 0,2 моль H₂.

Глава 5

Силикаты. Стекло, керамика, цемент

История

Днём мяч ученика, игравшего во дворе в футбол, попадает в окно веранды — стекло разлетается вдребезги. С папой они идут в стекольную мастерскую посёлка. Мастер измеряет и режет новое стекло, а в глубине мастерской в устье кирпичной печи гудит пламя: другой мастер выдувает вазу из раскалённого стекла на конце длинной трубки.

Возле печи три мешка: песок, сода и известняк. Мастер говорит: «Состав обычного оконного стекла — Na₂O·CaO·6SiO₂». Ученик хочет посчитать: сколько кг песка нужно, чтобы сварить 47,8 кг такого стекла, и сколько углекислого газа уходит из печи?

В устье печи колышется пламя, стекло на трубке раскалено; в круге из расплава выходят пузырьки CO₂.

Силикаты — соли кремниевых кислот; они составляют большую часть земной коры. Их формулы удобно записывать в виде оксидов: полевой шпат K₂O·Al₂O₃·6SiO₂, каолин (белая глина) Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, асбест 3MgO·2SiO₂·2H₂O. В воде растворимы только силикаты натрия и калия — их концентрированный раствор называют «жидким стеклом» (клей, огнезащитная пропитка). Переработкой природных силикатов занимается силикатная промышленность: производство керамики, стекла и цемента.

Производство стекла

Стекло получают сплавлением смеси песка, соды и известняка при ≈ 1500 °C: Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂ t→ Na₂O·CaO·6SiO₂ + 2CO₂↑. Если вместо соды взять поташ, получится термостойкое химическое стекло K₂O·CaO·6SiO₂; если вместо известняка взять оксид свинца — блестящий хрусталь K₂O·PbO·6SiO₂. Из расплавленного чистого SiO₂ получают кварцевое стекло (пропускает ультрафиолет, выдерживает резкое охлаждение). Для цветного стекла добавляют оксиды металлов: CoO — синий цвет, Cr₂O₃ — зелёный. Стекло аморфно: у него нет определённой температуры плавления, при нагревании оно постепенно размягчается.

Анимация · стекловаренная печьСырьё попадает в расплав, карбонаты разлагаются с выделением CO₂, оксиды с SiO₂ образуют стекломассу. Масса сохраняется: из 566 кг сырья получается 478 кг стекла, 88 кг CO₂ уходят в трубу.История

Вопрос мастерской. M(Na₂O·CaO·6SiO₂) = 62 + 56 + 6 · 60 = 478 г/моль, значит, 47,8 кг стекла — это 0,1 кмоль. На каждый моль стекла нужно 6 моль SiO₂: 0,6 кмоль · 60 = 36 кг песка. Кроме того, нужно 0,1 · 106 = 10,6 кг соды и 0,1 · 100 = 10 кг известняка, а из печи выходит 0,2 кмоль · 22,4 = 4,48 м³ CO₂. Мастер добавляет: узор на стекле травят кислотой HF, а щёлочь медленно «разъедает» стекло — поэтому растворы щелочей не хранят в склянках со стеклянными пробками.

Керамику делают из глины: глину замешивают с водой, формуют и обжигают — кирпич, плитка, гончарная посуда, фарфор. Цемент получают обжигом смеси известняка с глиной при ≈ 1450 °C (клинкер) и тонким помолом; при смешивании с водой силикаты гидратируются, и масса превращается в камень. Смесь цемента, песка, щебня и воды — бетон. Диоксид кремния используют и в производстве фосфора: Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026

Определите верные утверждения согласно таблице.1. Смесь ZO₂ с водой окрашивает лакмус в красный цвет2. A — кварцевое стекло3. ZO₂ используется для получения фосфора4. Смесь X₂O с водой окрашивает лакмус в синий цвет5. YO обладает амфотерными свойствами6. Элемент T — калий

Рисунок меняется вместе с шагами.A) 1, 3, 5B) 2, 3, 6C) 3, 4, 6D) 2, 4, 5E) 1, 3, 6

1. Сопоставим формулы из таблицы с известными стёклами: оконное стекло Na₂O·CaO·6SiO₂, хрусталь K₂O·PbO·6SiO₂. Значит, X = Na, Y = Ca, Z = Si, T = K, а A — это K₂O·CaO·6SiO₂, химическое (термостойкое) стекло.
2. 1 — неверно: SiO₂ с водой не реагирует, цвет лакмуса не меняется. 2 — неверно: кварцевое стекло — это чистый SiO₂.Почему так?

   Хотя SiO₂ — кислотный оксид, в воде он не растворяется и кислоты не образует.

3. 3 — верно: Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C t→ 3CaSiO₃ + 2P + 5CO. 4 — верно: Na₂O + H₂O → 2NaOH — щёлочь, лакмус синеет.
4. 5 — неверно: CaO — основный оксид. 6 — верно: T — калий. Внимание: в конце пояснения ГЭЦ есть опечатки (лишние пробелы у дефисов в словах «оксид натрия» и «T — калий») — в цитате они опущены.
5. Ответ: 3, 4, 6 (вариант C).

Официальное пояснение ГЭЦ (12.07.2026)

Na₂O · CaO · 6SiO₂ – обычное оконное стекло K₂O · CaO · 6SiO₂ – термостойкое (химическое) стекло K₂O · PbO · 6SiO₂ – хрустальное стекло По химическому составу стёкол ZO₂ — диоксид кремния. Смесь SiO₂ с водой не действует на лакмус, SiO₂ используется для получения фосфора. X₂O … Его смесь с водой окрашивает лакмус в синий цвет. YO — оксид кальция, он обладает основными свойствами. …Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, IV группа специальностей (PDF)

Проверь себя

Какова массовая доля SiO₂ (в %) в оконном стекле Na₂O·CaO·6SiO₂? (Округли до 0,1.)

w = 6 · 60 / 478.

Практикум

Тренировка на экзаменационных заданиях

Эти задания взяты из экзаменов ГЭЦ. Сначала реши сам, затем открой «Ответ и пояснение ГЭЦ».

ГЭЦ · 07.06.2026

В составе какого вещества есть атом углерода?

A) пиритB) силанC) питьевая содаD) природный гипсE) кварцевый песокОтвет и пояснение ГЭЦ

Ответ: питьевая сода (вариант C).

Формулы данных веществ: пирит - FeS₂ , силан – SiH₄ , питьевая сода – NaHCO₃, природный гипс – CaSO₄·2H₂O , кварцевый песок – SiO₂. Из перечисленных только в составе питьевой соды есть атом углерода.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)

Итоги

Запомни

• Аллотропия углерода: алмаз (sp³, пространственная сетка, самый твёрдый), графит (sp², слои, проводит ток), карбин, фуллерен; аморфный уголь адсорбирует.
• Углерод в основном восстановитель (C + 2CuO → 2Cu + CO₂), с активными металлами и водородом — окислитель (Al₄C₃, CaC₂, CH₄).
• CO — ядовитый несолеобразующий оксид, сильный восстановитель; образуется при недостатке кислорода: 2C + O₂ → 2CO.
• CO₂ — кислотный оксид; со щёлочью: n(CO₂) : n(NaOH) = 1 : 2 → Na₂CO₃, 1 : 1 → NaHCO₃.
• Карбонаты вскипают с кислотой (CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O); CO₂ мутит известковую воду, избыток CO₂ муть растворяет.
• При нагревании: CaCO₃ → CaO + CO₂; 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O; Na₂CO₃, K₂CO₃ не разлагаются.
• Si — полупроводник; растворяется в щёлочи с выделением H₂; SiO₂ — кислотный оксид с атомной решёткой, с водой не реагирует, из кислот — только с HF.
• Стекло: Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂ → Na₂O·CaO·6SiO₂ + 2CO₂; химическое стекло K₂O·CaO·6SiO₂, хрусталь K₂O·PbO·6SiO₂.

Типичные ошибки

«CO₂ с NaOH всегда даёт Na₂CO₃».

При мольном отношении 1 : 1 образуется кислая соль NaHCO₃; при промежуточном — смесь двух солей.

«SiO₂ — кислотный оксид, значит, растворяется в воде с образованием кислоты».

SiO₂ с водой не реагирует; H₂SiO₃ получают только из силиката действием более сильной кислоты.

«При нагревании разлагаются все карбонаты».

Na₂CO₃ и K₂CO₃ плавятся, но не разлагаются; гидрокарбонаты же разлагаются легко.

«CO — кислотный оксид, со щёлочью даёт соль».

CO — несолеобразующий оксид; кислотный оксид — CO₂.

Итоги

Самостоятельная работа

Задания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.

1 · Уровень 1

Какая аллотропная модификация углерода проводит электрический ток?

В графите по одному p-электрону каждого углерода движется вдоль слоёв.

2 · Уровень 1

Какой газ мутит известковую воду?

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

3 · Уровень 2

Через раствор с 40 г NaOH пропустили 11,2 л (н. у.) CO₂. Какая соль образуется?

n(CO₂) = 0,5 моль, n(NaOH) = 1 моль: отношение 1 : 2 → Na₂CO₃.

4 · Уровень 2

С каким веществом реагирует SiO₂?

SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O; другие кислоты и вода на SiO₂ не действуют.

5 · Уровень ГЭЦ

Сколько литров (н. у.) CO₂ выделится при полном разложении 16,8 г NaHCO₃?

n = 16,8 / 84 = 0,2 моль; 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 0,1 моль CO₂ = 2,24 л.

6 · Уровень ГЭЦ

Сколько кг поташа (K₂CO₃) нужно для получения 51 кг химического стекла (K₂O·CaO·6SiO₂, M = 510 г/моль)?

0,1 кмоль стекла → 0,1 кмоль K₂CO₃ · 138 = 13,8 кг.

Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):

1. 13.07.2025, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 64; B-62, C-67, D-79
2. 13.07.2025, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 56; B-54, C-56, D-53; вариант A, 52; B-45, C-49, D-44
3. 07.06.2026, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 64; B-71, C-63, D-66
4. 12.07.2026, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 48; B-38, C-31, D-41; вариант A, 52; B-33, C-44, D-51

История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.